JP2012501518A - Electrolyte-containing polymer produced by electrospinning process and highly efficient dye-sensitized solar cell using the electrolyte-containing polymer - Google Patents
Electrolyte-containing polymer produced by electrospinning process and highly efficient dye-sensitized solar cell using the electrolyte-containing polymer Download PDFInfo
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Abstract
本発明は、ナノ規模の直径を有し、エレクトロスピニング法により製造されるポリマー繊維を含むポリマー電解質に関する。本発明は、ナノ規模の直径を有し、エレクトロスピニング法により製造されるポリマー繊維を含むポリマー電解質を使用し、高いエネルギー変換効率を示す太陽電池素子にも関する。本発明のナノサイズのポリマー繊維を含む固体状態電解質は、封止材を必要とせず、液体電解質を使用する従来の色素増感太陽電池と比較して全体のプロセスをさらに簡便化する。特に、本発明の色素増感太陽電池のエネルギー変換効率は、スピンコート法により製造されるポリマー薄膜電解質を使用する色素増感太陽電池よりもはるかに優れる。さらに、本色素増感太陽電池は、散乱層を使用し、表面効果を補償することにより得ることができる。
【選択図】 図1The present invention relates to a polymer electrolyte comprising polymer fibers having a nanoscale diameter and manufactured by an electrospinning method. The present invention also relates to a solar cell element having a nanoscale diameter and using a polymer electrolyte containing polymer fibers produced by an electrospinning method and exhibiting high energy conversion efficiency. The solid state electrolyte containing the nano-sized polymer fiber of the present invention does not require an encapsulant and further simplifies the overall process compared to conventional dye-sensitized solar cells that use liquid electrolytes. In particular, the energy conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell of the present invention is far superior to a dye-sensitized solar cell using a polymer thin film electrolyte produced by a spin coating method. Furthermore, this dye-sensitized solar cell can be obtained by using a scattering layer and compensating for surface effects.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、太陽電池素子に関し、特に、ナノ規模の直径を有し、PVDF−HFPポリマーをエレクトロスピニングすることにより製造されるポリマー繊維を含むポリマー電解質に関する。本発明は、そのポリマー電解質を使用する高性能の色素増感太陽電池素子にも関する。 The present invention relates to a solar cell element, and more particularly to a polymer electrolyte having a nanoscale diameter and comprising polymer fibers produced by electrospinning a PVDF-HFP polymer. The present invention also relates to a high-performance dye-sensitized solar cell element using the polymer electrolyte.
化石燃料の継続使用による地球温暖化等の環境問題が存在する。さらに、ウランの使用は、放射能汚染ならびに放射能性廃棄物を処分する設備の必要性等の問題を引き起こす。したがって、代替エネルギーに対する強い需要があり、代替エネルギーに対する様々な研究が行われてきた。代替エネルギーの体表的な一種は太陽エネルギーである。 There are environmental problems such as global warming due to continuous use of fossil fuels. Further, the use of uranium causes problems such as radioactive contamination and the need for facilities to dispose of radioactive waste. Therefore, there is a strong demand for alternative energy, and various studies on alternative energy have been conducted. The surface type of alternative energy is solar energy.
太陽電池素子は、光が照射された場合、電子および正孔を生成する吸光材料を使用することにより直接発電する素子である。1839年に、ベクレル(Becquerel)という名のフランスの物理学者が最初に、光により誘導される化学反応が電流を生成する光起電力を発見した。同様の現象が、セレン等の固体の場合にも発見された。その後、太陽電池についての多くの研究が、無機シリコーンに関連して引き続き行われた。これは、約6%の効率を有するシリコンベースの太陽電池が、1954年にベル研究所(Bell Research Center)で初めて開発されたためである。 A solar cell element is an element that directly generates electricity by using a light-absorbing material that generates electrons and holes when irradiated with light. In 1839, a French physicist named Becquerel first discovered a photovoltaic that a light-induced chemical reaction produces an electric current. A similar phenomenon was found for solids such as selenium. Since then, much research on solar cells has continued in connection with inorganic silicones. This is because a silicon-based solar cell having an efficiency of about 6% was first developed in 1954 at the Bell Research Center.
そのような無機太陽電池素子は、シリコン等の無機半導体のp−n接合からなる。太陽電池に使用されるシリコンは、単結晶シリコンまたは多結晶シリコン等の晶質シリコンおよび非晶質シリコンに分類できる。晶質シリコーンは、太陽エネルギーが電気エネルギーに変換される際、非晶質シリコンと比較してよりよいエネルギー変換効率を有する。しかし、晶質シリコンは、結晶を成長させるために使用される時間およびエネルギーにより生産性が劣る。非晶質シリコーンは、優れた吸光性を有し、拡大を容易に行うことができ、晶質シリコンと比較して良好な生産性を有する。しかし、非晶質シリコンは、例えば、真空プロセス等が必要であるため、設備に関して非効率的である。特に、無機太陽電池素子の場合、無機太陽電池素子の加工および成形が難しいため、問題がある。これは、製造コストが高く、素子が真空条件下で製造されるためである。 Such an inorganic solar cell element is composed of a pn junction of an inorganic semiconductor such as silicon. Silicon used in solar cells can be classified into crystalline silicon and amorphous silicon such as single crystal silicon or polycrystalline silicon. Crystalline silicone has better energy conversion efficiency compared to amorphous silicon when solar energy is converted to electrical energy. However, crystalline silicon is less productive due to the time and energy used to grow crystals. Amorphous silicone has excellent light absorbency, can be easily expanded, and has better productivity than crystalline silicon. However, amorphous silicon is inefficient in terms of equipment because, for example, a vacuum process or the like is required. Particularly, in the case of an inorganic solar cell element, there is a problem because it is difficult to process and mold the inorganic solar cell element. This is because the manufacturing cost is high and the device is manufactured under vacuum conditions.
そのような問題により、有機材料の光起電現象を使用する(シリコーンに代えて)太陽電池素子についての様々な研究が試みられてきた。有機材料の光起電現象とは、光が有機材料に照射された場合、有機材料が光子を吸収して電子−正孔ペアを生成し、前記ペアが互いに分離され、陰極および陽極にそれぞれ移され、次に、そのような電荷の流れにより電流が生成される現象を指す。換言すれば、通常、有機太陽電池において、光が電子供与体材料と電子受容体材料との接合部に照射された場合、電子−正孔ペアが電子供与体内に形成され、電子が電子受容体に移されて、電子−正孔を分離させる。そのようなプロセスは、「光による電荷担体の励起」または「光誘起電荷移動(PICT)」と呼ばれ、光により生成された担体は電子−正孔に分けられ、外部回路を通して電力を生成する。 Due to such problems, various studies have been attempted on solar cell elements that use the photovoltaic phenomenon of organic materials (instead of silicone). Photovoltaic phenomenon of organic material means that when organic material is irradiated with light, the organic material absorbs photons to generate electron-hole pairs, which are separated from each other and transferred to the cathode and anode respectively. And then refers to the phenomenon in which current is generated by such charge flow. In other words, normally, in an organic solar cell, when light is irradiated to the junction between the electron donor material and the electron acceptor material, an electron-hole pair is formed in the electron donor, and the electron is an electron acceptor. To separate the electron-holes. Such a process is called “excitation of charge carriers by light” or “photoinduced charge transfer (PICT)”, where the carriers generated by light are divided into electron-holes and generate power through an external circuit. .
物理学の基礎を考えた場合、太陽電池を含めてすべての太陽光発電で生成される出力電力は、光により生成される光誘起性励起の励起子の流れおよび駆動力から生じる産物とみなされる。太陽電池では、流れは電流に関連し、駆動力は電圧に直接関連する。一般に、太陽電池の電圧は、使用される電極材料により決まり、太陽エネルギー変換効率は、出力電圧を入力太陽エネルギーで割ることにより得られる値であり、合計出力電流は、吸収される光子の数により決まる。 When considering the basics of physics, the output power generated by all solar power generation, including solar cells, is considered to be the product resulting from the exciton flow and driving force of light-induced excitation generated by light. . In solar cells, flow is related to current and driving force is directly related to voltage. In general, the voltage of a solar cell is determined by the electrode material used, the solar energy conversion efficiency is a value obtained by dividing the output voltage by the input solar energy, and the total output current depends on the number of photons absorbed. Determined.
上述した有機材料の光ポンピング現象を使用することにより準備された有機太陽電池は、電子供与体層および電子受容体層を透明電極と金属電極との間に導入する多層太陽電池素子および電子供与体と電子受容体との混合体を導入する単層太陽電池に分類することができる。 An organic solar cell prepared by using the above-described optical pumping phenomenon of an organic material includes an electron donor layer and an electron acceptor layer introduced between a transparent electrode and a metal electrode. And a single-layer solar cell into which a mixture of electron acceptors is introduced.
しかし、典型的な有機材料を使用する太陽電池には、エネルギー変換効率および耐久性の点で問題がある。これに関して、スイスのグレッツェル(Gratzel)(Gr)研究チームは、1991年に、染料を光増感剤として使用することにより、光電気化学太陽電池である色素増感太陽電池を開発した。グレッツェル(Gratzel)らにより示唆された光電気化学太陽電池は、ナノ粒子の二酸化チタンおよび光増感性染料分子を含む酸化物半導体を使用する。換言すれば、色素増感太陽電池は、電解質を酸化チタン等の無機酸化物層内に導入し、染料が透明電極と金属電極との間に吸収され、光電気化学反応を受けることにより準備される太陽電池である。一般に、色素増感太陽電池は、2種類の電極(光電極および対向電極)と、無機酸化物と、染料と、電解質とを含む。色素増感太陽電池は、環境に害のない材料を使用し、既存の無機太陽電池のうちの非晶質シリコン太陽電池に次ぐ約10%という高いエネルギー変換効率を有するため、環境に優しい。さらに、その製造コストは、シリコン太陽電池の約20%である。したがって、市販化への高い可能性が報告された。 However, solar cells using typical organic materials have problems in terms of energy conversion efficiency and durability. In this regard, the Swiss Gratzel (Gr) research team developed a dye-sensitized solar cell, a photoelectrochemical solar cell, in 1991 by using a dye as a photosensitizer. The photoelectrochemical solar cell suggested by Gratzel et al. Uses an oxide semiconductor comprising nanoparticulate titanium dioxide and photosensitizing dye molecules. In other words, a dye-sensitized solar cell is prepared by introducing an electrolyte into an inorganic oxide layer such as titanium oxide, and the dye is absorbed between the transparent electrode and the metal electrode and undergoes a photoelectrochemical reaction. Solar cell. In general, a dye-sensitized solar cell includes two types of electrodes (photoelectrode and counter electrode), an inorganic oxide, a dye, and an electrolyte. The dye-sensitized solar cell is environmentally friendly because it uses a material that is not harmful to the environment and has a high energy conversion efficiency of about 10% after the amorphous silicon solar cell among the existing inorganic solar cells. Furthermore, its manufacturing cost is about 20% of silicon solar cells. Therefore, a high potential for commercialization was reported.
上述したように、光化学反応を使用することにより製造される色素増感太陽電池は、光を吸収する染料が陽極と陰極との間に吸収された無機酸化物層が導入されると共に、電子を低減する電解質層が導入された多層電池素子である。従来の色素増感太陽電池素子について、以下に手短に説明する。 As described above, a dye-sensitized solar cell manufactured by using a photochemical reaction is introduced with an inorganic oxide layer in which a dye that absorbs light is absorbed between an anode and a cathode, and electrons are absorbed. A multilayer battery element in which a reducing electrolyte layer is introduced. A conventional dye-sensitized solar cell element will be briefly described below.
従来の多層型の色素増感太陽電池は、例えば、酸化チタン層/電解質/電極であって、基板/電極/染料が吸収された電極を含むことができる。より具体的には、下部基板、陰極、染料を吸収した酸化チタン層、電解質層、陽極、および上部基板が、下部層から連続してラミネートされる。この時点で、上部基板および下部基板は一般にガラスまたはプラスチックで用意され、陰極にはITO(インジウムスズ酸化物)またはFTO(フッ素をドープした酸化スズ)がコーティングされ、陽極には白金がコーティングされる。 A conventional multilayer dye-sensitized solar cell may include, for example, a titanium oxide layer / electrolyte / electrode, and an electrode on which a substrate / electrode / dye is absorbed. More specifically, the lower substrate, the cathode, the titanium oxide layer that has absorbed the dye, the electrolyte layer, the anode, and the upper substrate are successively laminated from the lower layer. At this point, the upper and lower substrates are typically prepared from glass or plastic, the cathode is coated with ITO (indium tin oxide) or FTO (fluorine-doped tin oxide), and the anode is coated with platinum. .
上記のように構成される従来の色素増感太陽電池素子の動作原理に鑑みて、染料は光子を吸収して、励起子(電子−正孔ペア)を形成する。励起子は、染料を吸収した酸化チタン層に光が照射された場合、接地状態から励起状態に遷移する。したがって、電子−正孔ペアは互いに分離され、電子は酸化チタン層に注入され、正孔は電解質層に移される。外部回路が上記に従ってセットアップされた場合、電子は、導電線を通して陰極から酸化チタン層を介して陽極に移動して、電流を生成する。陽極内の電子は、電解質により低減され、励起電子は生成電流に移され続ける。 In view of the principle of operation of the conventional dye-sensitized solar cell element configured as described above, the dye absorbs photons and forms excitons (electron-hole pairs). The excitons transition from the ground state to the excited state when the titanium oxide layer that has absorbed the dye is irradiated with light. Thus, electron-hole pairs are separated from each other, electrons are injected into the titanium oxide layer, and holes are transferred to the electrolyte layer. When the external circuit is set up according to the above, electrons move from the cathode through the conductive line to the anode through the titanium oxide layer to generate a current. The electrons in the anode are reduced by the electrolyte and the excited electrons continue to be transferred to the generated current.
しかし、一般の色素増感太陽電池素子は高いエネルギー変換効率を有する一方で、溶液の蒸発、電解質の漏れ等による性質劣化等の安全面での問題を有する。そのような問題は、市販化に対する大きな障壁をなす。そのような電解質の漏れを回避するために、様々な研究が行われてきた。特に、太陽電池の安定性および耐久性を高めるために、半固体または固体の電解質を使用する色素増感太陽電池が開発された。 However, while a general dye-sensitized solar cell element has high energy conversion efficiency, it has safety problems such as property deterioration due to evaporation of a solution, leakage of an electrolyte, and the like. Such problems constitute a major barrier to commercialization. Various studies have been conducted to avoid such electrolyte leakage. In particular, in order to increase the stability and durability of solar cells, dye-sensitized solar cells using semi-solid or solid electrolytes have been developed.
例えば、韓国出願公開第KR2003−65957号明細書には、N−メチル−2−ピロリドンまたは3−メトキシプロピオニトリル等の溶媒に溶解したポリフッ化ビニリデンを含む色素増感太陽電池が開示されている。そのような方法により準備されるゲル型ポリマー電解質は、液体電解質と同様に室温で高いイオン伝導性を有するが、劣った機械的性質を有すると共に、ポリマー電解質の液体保持性が低いため、電池の製造プロセスを難しくする。 For example, Korean Patent Application Publication No. KR2003-65957 discloses a dye-sensitized solar cell containing polyvinylidene fluoride dissolved in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone or 3-methoxypropionitrile. . The gel type polymer electrolyte prepared by such a method has high ionic conductivity at room temperature like the liquid electrolyte, but has inferior mechanical properties and low liquid retention of the polymer electrolyte. Make the manufacturing process difficult.
そのようなポリマー電解質膜を製造する技法としてエレクトロスピニングを使用する研究が活発に行われている。エレクトロスピニングは、1934年にフォルムハイツ(Formhals)(ドイツの技術者)により特許出願として出願された。エレクトロスピニングの科学的基盤は、液体が落下する際、静電力が液体の表面張力に打ち勝つことができるという1882年のローリー(Raleigh)の概念から開発された。エレクトロスピニングにより製造されるポリマー繊維は、超微細ナノ技術に取り入れられ、その世界市場規模は2100年に約1兆ドルに達する。一般に、ナノ繊維は、20nm〜1μmの直径を有し、低粘度状態で繊維としてポリマーをスピンさせ、次に、静電力で分離させるエレクトロスピニングにより製造される繊維として定義される。大量生産が可能なため、ナノ粒子およびフィルタ、燃料電池の電解質、医用用途等の用途がある。その用途は成長し続けると予想される。 There has been active research using electrospinning as a technique for producing such polymer electrolyte membranes. Electrospinning was filed as a patent application in 1934 by Formhals (German engineer). The scientific foundation of electrospinning was developed from the 1882 Raleigh concept that electrostatic forces can overcome the surface tension of the liquid as it falls. Polymer fibers produced by electrospinning have been incorporated into ultra-fine nanotechnology, with a global market scale of approximately $ 1 trillion in 2100. In general, nanofibers are defined as fibers produced by electrospinning that have a diameter of 20 nm to 1 μm, spin the polymer as fibers in a low viscosity state, and then separate with electrostatic forces. Since mass production is possible, there are applications such as nanoparticles and filters, fuel cell electrolytes, and medical applications. Its use is expected to continue to grow.
ナノ繊維の最大の利点は、従来の繊維と比較してより大きな表面積を有することである。そのような利点により、ナノ繊維をフィルタに効率的な材料として使用することができる。エレクトロスピニングによるナノ繊維は、防護服、抗生的な創傷包帯、薬剤送達材料等に使用することもできる。しかし、そのようなナノ繊維は、エレクトロスピニング法によってしか製造することができず、繊維は不規則に形成される。そのため、繊維の形成を制御することが難しい。そのような問題を解消するために、回転するフォーカス板の端部を先鋭にすることにより、電場を片側に集める方法が考えられた。間隙フォーカス板を使用することにより、プロセス中にナノ繊維をある方向に配置する別の方法も考えられる。相互間隙は、フォーカス板近傍の電場および繊維の静電電荷により形成される。そうして、生成繊維が準備される。最近、ナノ繊維は、高い間隙率および広い表面積を有するため、生体医用移植可能な材料としてみなされている。したがって、そのような特徴は、細胞の接着、成長、増殖等に有用であり得る。しかし、エレクトロスピニングにより製造されるナノ繊維は、ポリマー自体の分子配置により、強度の向上が殆ど得られないため、劣った物理的性質を有する。そのような問題を解消するために、様々なプロセスパラメータが、ナノ繊維の準備を対象とした多くの研究に使用されている。 The greatest advantage of nanofibers is that they have a larger surface area compared to conventional fibers. Such advantages allow nanofibers to be used as an efficient material for the filter. Nanofibers by electrospinning can also be used in protective clothing, antibiotic wound dressings, drug delivery materials and the like. However, such nanofibers can only be produced by electrospinning, and the fibers are formed irregularly. Therefore, it is difficult to control fiber formation. In order to solve such a problem, there has been considered a method of collecting an electric field on one side by sharpening an end of a rotating focus plate. Another method of arranging the nanofibers in a certain direction during the process is also conceivable by using a gap focus plate. The mutual gap is formed by the electric field in the vicinity of the focus plate and the electrostatic charge of the fibers. Thus, the produced fiber is prepared. Recently, nanofibers have been regarded as biomedical implantable materials because of their high porosity and large surface area. Thus, such features can be useful for cell adhesion, growth, proliferation, and the like. However, nanofibers produced by electrospinning have poor physical properties because little improvement in strength is obtained due to the molecular arrangement of the polymer itself. In order to eliminate such problems, various process parameters are used in many studies aimed at nanofiber preparation.
アクロン大学(Akron University)のリネカー(Reneker)は、様々なポリマー材料のナノ繊維製造およびエレクトロスピニング法による影響要因を調整する方法を発表した。さらに、ドレクセル大学(Drexel University)は、カーボンナノチューブをエレクトロスピニング法で補うことにより、機械的性質を改良したナノ複合材料を製造した。ディッツェル(Deitzel)は、ポリマーの濃度が増大するにつれて、ナノ繊維の直径および繊維の直径が、指数法則関係に従ってポリマー濃度を増大させることにより増大する傾向を有することを発表した。ドーシ(Doshi)およびリネカー(Reneker)は、ポリマー溶液の表面張力が小さいほど、繊維内のビードを低減できることを発表した。 Akron University's Reneker has announced how to adjust the influencing factors of nanofiber production and electrospinning methods for various polymer materials. In addition, Drexel University has produced nanocomposites with improved mechanical properties by supplementing carbon nanotubes with electrospinning. Deitzel announced that as the polymer concentration increases, the nanofiber diameter and fiber diameter tend to increase by increasing the polymer concentration according to the power law relationship. Doshi and Reneker announced that the lower the surface tension of the polymer solution, the lower the bead in the fiber.
エレクトロスピニングプロセスならびに生物学的用途およびポリマー材料に関する製品開発についての研究が引き続き行われてきた。コモンウェルス大学(Commonwealth University)は、血中に元々存在するナノサイズの微細セルロースを、エレクトロスピニング技術を使用することによりフランネル形の包帯を生成するように製造する技術に成功をもたらした。エチコン社(Ethicon Inc.)は、原材料としてp−ジオキサノンを使用して、PDOのモノフィラメントの形態の縫合糸(PDS)を製造した。ウッドワード(Woodward)ら(1985年)は、エレクトロスピニングにより製造された不織布の結晶度の程度が、エレクトロスピニング前のポリマーの結晶度よりもはるかに劣るため、熱処理が必要なことを示唆した。イグナシアス(Ignatious)は、エレクトロスピニングを受けたナノ繊維を使用することにより、いつでも薬物を即座に投与できることを実証した。MIT材料加工センター(MIT Material Processing Center)は、人工臓器用の基材についての研究を行い、ハーバード大学(University of Harvard)は、非組織を使用するナノ繊維についての研究を行った。MIT ISN(ソルジャーナノテクノロジー研究所(Institute for Soldier Nanotechnologies))のルトレッジ(Rutledge)は、0.5μm〜10μmのサイズを有し、エレクトロスピニングを受けたPCLナノ繊維を使用することにより、PCL基材を製造し、傷ついた関節軟骨を治療するためのナノ繊維を開発した。イスラエルのヤーリン(Yarin)(2004年)は、ポリマー溶液が下部に配置され、次に、従来のスピニング法に代えて強磁性懸濁システムを使用することにより上側へのスピニングを受ける新しい方法を示唆した。 Research has continued on electrospinning processes and product development for biological applications and polymeric materials. Commonwealth University has succeeded in producing a nanosized fine cellulose originally present in blood to produce a flannel-shaped bandage by using electrospinning technology. Ethicon Inc. manufactured a PDO monofilament suture (PDS) using p-dioxanone as a raw material. Woodward et al. (1985) suggested that heat treatment was necessary because the degree of crystallinity of non-woven fabrics produced by electrospinning was much lower than the crystallinity of the polymer before electrospinning. Ignatius has demonstrated that drugs can be administered immediately at any time by using electrospun nanofibers. The MIT Material Processing Center conducted research on substrates for artificial organs, and the University of Harvard conducted research on nanofibers using non-tissues. MIT ISN (Institute for Soldier Nanotechnologies) Rutledge has a size of 0.5 μm to 10 μm and uses PCL nanofibers that have been electrospun. And developed nanofibers to treat damaged articular cartilage. Israel's Yarin (2004) suggests a new method in which the polymer solution is placed at the bottom and then subjected to upward spinning by using a ferromagnetic suspension system instead of the traditional spinning method did.
エレクトロスピニングを使用することによるナノ繊維製造を対象とした研究は、国内の様々な大学および研究機関で行われた。しかし、それら研究は大方、実験に依存し、研究の主題は、プロセスパラメータを変更した場合に実験で検察されるナノ繊維の特徴および形態であった。 Research aimed at producing nanofibers using electrospinning has been conducted at various universities and research institutions in the country. However, these studies largely depended on experiments, and the subject of the study was the characteristics and morphology of the nanofibers that were probed in the experiments when the process parameters were changed.
固体電解質を使用する太陽電池の場合、溶媒は電解質溶液から除去されて、溶媒による効率の低下を補償する。次に、陰極電極を通して入った電子は、染料が酸化されて、電流を流す固相の正孔導電材料を使用することにより容易に低減する。 In the case of solar cells using a solid electrolyte, the solvent is removed from the electrolyte solution to compensate for the efficiency loss due to the solvent. Next, electrons entering through the cathode electrode are easily reduced by using a solid-state hole conducting material that conducts current as the dye is oxidized.
溶媒のない固体ポリマー電解質を使用する太陽電池に関する研究は、まず、2001年にブラジルのデ・パオリ(De Paoli)グループにより試みられた。このグループは、ポリ(エピクロロヒドリン−コ−酸化エチレン)/NaI/I2を含むポリマー電解質を製造し、100mW/cm2で約1.6%のエネルギー変換効率を有することが報告された。その後、フララス(Flaras)グループが、2002年に、酸化チタンナノ粒子を結晶度の高いポリエチレンオキシドに添加して、ポリマーの結晶度を低減することにより、I-/I3 -の移動度を向上させる研究を行った。KISTの輸送促進膜センター(Center for Facilitated Transport Membrane of KIST)は、2004年に、水素結合を使用して低分子重量のポリエチレングリコール(PEG)を色素増感太陽電池に効率的に加える研究を行い、結果として生成されるエネルギー変換効率が約3.5%であることを報告した。 Research on solar cells using solid polymer electrolytes without solvents was first attempted in 2001 by the De Paoli group in Brazil. This group was reported to produce a polymer electrolyte comprising poly (epichlorohydrin-co-ethylene oxide) / NaI / I 2 and have an energy conversion efficiency of about 1.6% at 100 mW / cm 2 . . Later, the Flaras group improved the mobility of I − / I 3 − in 2002 by adding titanium oxide nanoparticles to highly crystalline polyethylene oxide to reduce the crystallinity of the polymer. I did research. KIST's Center for Facilitated Transport Membrane of KIST conducted research to efficiently add low molecular weight polyethylene glycol (PEG) to dye-sensitized solar cells using hydrogen bonding in 2004. The resulting energy conversion efficiency was reported to be about 3.5%.
最近、フラビアノゲイラ(Flavia Nogueira)グループは、2007年に、ポリ(酸化エチレン−コ−エピクロロヒドリン)を使用することにより、ポリマー電解質として84:16の比で酸化エチレンおよびエピクロロヒドリンを合成したTiO2ナノチューブの形態の固体色素増感太陽電池を製造し、4.03%というエネルギー変換効率を報告した。 Recently, the Flavia Nogueira group introduced ethylene oxide and epichlorohydrin as a polymer electrolyte in a ratio of 84:16 by using poly (ethylene oxide-co-epichlorohydrin) in 2007. A solid dye-sensitized solar cell in the form of a synthesized TiO 2 nanotube was manufactured and reported an energy conversion efficiency of 4.03%.
イオン伝導性を低減せず、かつ固体形態を損なうことなく、上記問題を解消する固体色素増感太陽電池素子を開発する強い必要性が当該技術分野になお存在する。
本発明は、従来の上記問題を解消するように構成される。本発明の一目的として、エレクトロスピニングナノ規模ポリマー繊維が、ポリマー薄膜電解質の電解質に追加されて、高性能色素増感太陽電池が生成される。
There remains a strong need in the art to develop solid dye-sensitized solar cell elements that overcome the above problems without reducing ionic conductivity and without compromising solid morphology.
The present invention is configured to eliminate the above-described conventional problems. As one object of the present invention, electrospun nanoscale polymer fibers are added to the electrolyte of the polymer thin film electrolyte to produce a high performance dye-sensitized solar cell.
本発明の別の目的は、電解質層を製造するに当たり、高い比表面積を有するポリマーナノ繊維を使用して、色素増感太陽電池内の光電流の増大を効率的に誘導することにより製造される高性能色素増感太陽電池を提供することである。本発明は、上記を製造する方法にも関する。
本発明のさらに別の目的は、無機酸化物層からの逆電流を阻止する機能層を導入することにより、光電流を増大させた色素増感太陽電池およびその色素増感太陽電池を製造する方法を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、無機酸化物層を通る光が光散乱効果を受けるように、光散乱層を無機層上に導入することにより、光電流を増大させた色素増感太陽電池を提供することである。これにより、大量の光を吸収できるようになる。本発明は、上記を提供する手段にも関する。
Another object of the present invention is produced by efficiently inducing an increase in photocurrent in a dye-sensitized solar cell using polymer nanofibers having a high specific surface area in producing an electrolyte layer. It is to provide a high-performance dye-sensitized solar cell. The invention also relates to a method for producing the above.
Still another object of the present invention is to provide a dye-sensitized solar cell having an increased photocurrent by introducing a functional layer that prevents reverse current from the inorganic oxide layer, and a method for producing the dye-sensitized solar cell. Is to provide.
Still another object of the present invention is to provide a dye-sensitized solar cell having an increased photocurrent by introducing a light scattering layer on the inorganic layer so that light passing through the inorganic oxide layer is subjected to a light scattering effect. Is to provide. As a result, a large amount of light can be absorbed. The invention also relates to means for providing the above.
上記目的を達成するために、本発明は、
互いに面するように配置された第1の基板および第2の基板と、
第1の基板と第2の基板との間に配置された第1の電極であって、無機酸化物層および無機酸化物層内に化学的に吸収されて、励起電子を提供する染料層を含む第1の電極と、
第1の電極とは逆側に配置される第2の電極であって、第1の基板と第2の基板との間に配置され、それにより、電流を流せるようにする第2の電極と、
無機酸化物層上への無機酸化物層の界面接合を容易にする第1の界面接合層と、
第1の界面接合層上の逆電流を回避する第2の界面接合層と、
第1の界面接合層と第2の界面接合層との間に配置された光散乱層であって、吸光を増大させる光散乱層と、
第1の電極と第2の電極との間に配置された固体電解質であって、エレクトロスピニング法により製造されたポリマーナノ繊維を含み、酸化還元反応により電子を染料層に提供することができる、固体電解質と
を備える色素増感太陽電池を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides:
A first substrate and a second substrate arranged to face each other;
A first electrode disposed between a first substrate and a second substrate, the dye layer being chemically absorbed into the inorganic oxide layer and the inorganic oxide layer to provide excitation electrons A first electrode comprising:
A second electrode disposed opposite to the first electrode, the second electrode disposed between the first substrate and the second substrate, thereby allowing a current to flow; ,
A first interfacial bonding layer that facilitates interfacial bonding of the inorganic oxide layer onto the inorganic oxide layer;
A second interface bonding layer that avoids reverse current on the first interface bonding layer;
A light scattering layer disposed between the first interface bonding layer and the second interface bonding layer, the light scattering layer increasing light absorption;
A solid electrolyte disposed between a first electrode and a second electrode, comprising polymer nanofibers produced by an electrospinning method and capable of providing electrons to the dye layer by a redox reaction; Provided is a dye-sensitized solar cell comprising a solid electrolyte.
上記目的を達成するために、本発明は、色素増感太陽電池を製造する方法であって、
第1の基板を準備すること、
第1の基板の一表面に無機酸化物層を形成して、第1の電極を形成すること、
無機酸化物層上への無機酸化物層の界面接合を容易にする第1の界面接合層を形成すること、
第1の界面接合層上に、吸光を増大させる光散乱層を形成すること、
光散乱層上に、逆電流を回避する第2の界面接合層を形成すること、
第2の界面接合層上に染料層を吸収させること、
エレクトロスピニング装置を使用してポリマー溶液を、染料層が吸収された第2の界面接合層上にエレクトロスピニングし、電解質溶液をポリマーナノ繊維に塗布し、次に、塗布された溶液を蒸発させて、固体電解質を形成すること、および
固体電解質上に第2の電極および第2の基板を形成すること
を含む方法を提供する。
To achieve the above object, the present invention provides a method for producing a dye-sensitized solar cell,
Preparing a first substrate;
Forming an inorganic oxide layer on one surface of the first substrate to form a first electrode;
Forming a first interface bonding layer that facilitates interfacial bonding of the inorganic oxide layer onto the inorganic oxide layer;
Forming a light scattering layer on the first interfacial bonding layer to increase absorption;
Forming a second interface bonding layer on the light scattering layer to avoid reverse current;
Absorbing a dye layer on the second interfacial bonding layer;
The electrospinning apparatus is used to electrospin the polymer solution onto the second interfacial bonding layer in which the dye layer is absorbed, the electrolyte solution is applied to the polymer nanofibers, and then the applied solution is evaporated. Forming a solid electrolyte, and forming a second electrode and a second substrate on the solid electrolyte.
従来の液体電解質および半固体電解質が色素増感太陽電池に使用される場合、漏出問題、長期安定性問題、および電解質の蒸発による電極と対電極との接触により生じる問題が存在する。
本発明は、ポリマーナノ繊維を電解質層に導入することにより、そのような問題を解消するように構成される。実施例に示されるように、色素増感太陽電池は、ポリマーナノ繊維を様々な条件で準備することにより上記問題を解消できるような原理を使用することにより準備される。
逆電流は、主に無機酸化物層および電解質層の界面に現れ、界面接合層を導入することにより逆電流を回避することもできる。光電流の量は、光散乱層を導入して、光の再吸収を容易にすることにより増大する。さらに、ナノ規模ポリマー繊維を電解質層に導入することにより得られる利点は、以下である。
When conventional liquid and semi-solid electrolytes are used in dye-sensitized solar cells, there are leakage problems, long-term stability problems, and problems caused by contact between the electrode and the counter electrode due to electrolyte evaporation.
The present invention is configured to eliminate such problems by introducing polymer nanofibers into the electrolyte layer. As shown in the examples, dye-sensitized solar cells are prepared by using principles that can overcome the above problems by preparing polymer nanofibers under various conditions.
The reverse current appears mainly at the interface between the inorganic oxide layer and the electrolyte layer, and the reverse current can be avoided by introducing an interface bonding layer. The amount of photocurrent is increased by introducing a light scattering layer to facilitate light reabsorption. Further, the advantages obtained by introducing nanoscale polymer fibers into the electrolyte layer are as follows.
第1に、ポリマーナノ繊維は、高い比表面および複数の孔を有し、それにより、電解質のイオンの含有および注入を効率的に行うことができる。したがって、スピンコート法により準備されたポリマー薄膜と比較して、よりよい短絡回路電流および光起電効率を提供することができる。
第2に、ポリマーナノ繊維は、液体電解質を使用する色素増感太陽電池内の液体電解質の漏れに起因する作用電極と対電極との接触による短絡を回避する。したがって、従来の液体または半固体の色素増感太陽電池での長期安定性の問題を解消することができる。したがって、耐久性を維持することができる。
第3に、無機酸化物層上に導入される機能層および光散乱層により、逆電流が回避される。透過光を光散乱層内で再吸収して、光電流を増大させることができる。したがって、色素増感太陽電池の全体的な効率を向上させることができる。
最後に、エレクトロスピニングされたポリマーナノ繊維は、従来のポリマー膜と比較して優れた光起電効率を有する。これは、固体型色素増感太陽電池を開発する可能性を示す。
First, the polymer nanofibers have a high specific surface and a plurality of pores, which can efficiently contain and implant electrolyte ions. Therefore, better short circuit current and photovoltaic efficiency can be provided compared to polymer thin films prepared by spin coating.
Secondly, the polymer nanofibers avoid a short circuit due to contact between the working electrode and the counter electrode due to leakage of the liquid electrolyte in the dye-sensitized solar cell using the liquid electrolyte. Therefore, the problem of long-term stability in the conventional liquid or semi-solid dye-sensitized solar cell can be solved. Therefore, durability can be maintained.
Third, a reverse current is avoided by the functional layer and the light scattering layer introduced on the inorganic oxide layer. The transmitted light can be reabsorbed in the light scattering layer to increase the photocurrent. Therefore, the overall efficiency of the dye-sensitized solar cell can be improved.
Finally, electrospun polymer nanofibers have superior photovoltaic efficiency compared to conventional polymer films. This indicates the possibility of developing solid-type dye-sensitized solar cells.
ポリマーではなく溶媒を含む電解質を有する一般の液体色素増感太陽電池素子は、電解質の漏れおよび長期安定性に伴う問題を有する。電解質の漏れに起因する第1の電極と第2の電極との接触も、素子の寿命を低減させる。さらに、ポリマー電解質を組み込んだ固体色素増感太陽電池素子の場合、ポリマーはランダムに混合された状態である。したがって、本発明の発明者等は、ポリマーをエレクトロスピニングし、次に、ナノ繊維を電解質内に組み込むことにより、ポリマーナノ繊維を製造することにより上記問題を解消することができる色素増感太陽電池素子を準備した。 Common liquid dye-sensitized solar cell elements having an electrolyte that contains a solvent rather than a polymer have problems with electrolyte leakage and long-term stability. Contact between the first electrode and the second electrode due to electrolyte leakage also reduces the lifetime of the device. Furthermore, in the case of a solid dye-sensitized solar cell element incorporating a polymer electrolyte, the polymer is in a randomly mixed state. Accordingly, the inventors of the present invention have developed a dye-sensitized solar cell that can solve the above problems by producing polymer nanofibers by electrospinning the polymer and then incorporating the nanofibers into the electrolyte. A device was prepared.
本発明は、特定の化学物質をエレクトロスピニングすることにより作られたナノ繊維を備える、色素増感太陽電池の電解質薄膜を提供する。 The present invention provides an electrolyte thin film for a dye-sensitized solar cell comprising nanofibers made by electrospinning a specific chemical.
図1は、エレクトロスピニングされたナノ繊維を組み込んだ電解質を利用することにより、本発明の好ましい実施形態により準備された色素増感太陽電池素子の断面図である。図1に示されるように、本発明の好ましい実施形態により準備された色素増感太陽電池素子は、多層薄膜の形態であり、互いに対向し、2枚の透明基板の間に配置された第1の電極(1002)および第2の電極(1009)と、第1の基板(1001)および第2の基板(1010)と、無機酸化物層(1003)と、界面接合層IおよびII(1004および1006)と、散乱層(1005)と、染料層(1007)と、第1の電極(1002)と第2の電極(1009)との間に配置されたポリマー電解質層(1008)とを備える。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a dye-sensitized solar cell element prepared according to a preferred embodiment of the present invention by utilizing an electrolyte incorporating electrospun nanofibers. As shown in FIG. 1, the dye-sensitized solar cell element prepared according to the preferred embodiment of the present invention is in the form of a multilayer thin film, and is first opposed to each other and disposed between two transparent substrates. Electrode (1002) and second electrode (1009), first substrate (1001) and second substrate (1010), inorganic oxide layer (1003), interface bonding layers I and II (1004 and 1006), a scattering layer (1005), a dye layer (1007), and a polymer electrolyte layer (1008) disposed between the first electrode (1002) and the second electrode (1009).
前記第1の基板(1001)は、例えば、PET(ポリエチレンテレフタラート)、PEN(ポリエチレンナフタレート)、PP(ポリプロピレン)、PI(ポリアミド)、TAC(三酢酸セルロース)等を含むガラスまたはプラスチック等の透明材料で作ることができる。第1の基板(1001)は、好ましくは、ガラスで作られる。
前記第1の電極(1002)は、透明材料により前記第1の基板(1001)の片面に形成される電極である。前記第1の電極(1002)は陰極として機能する。前記第1の電極(1002)では、前記第2の電極(1005)よりも低い仕事関数、透明性、および導電性を有する任意の材料を使用することができる。本発明では、前記第1の電極(1002)は、スパッタリング法またはスピンコート法を使用することにより、前記第1の基板(1001)の裏面に塗布または薄塗りすることができる。
The first substrate (1001) is made of, for example, glass or plastic containing PET (polyethylene terephthalate), PEN (polyethylene naphthalate), PP (polypropylene), PI (polyamide), TAC (cellulose triacetate), or the like. Can be made of transparent material. The first substrate (1001) is preferably made of glass.
The first electrode (1002) is an electrode formed on one side of the first substrate (1001) with a transparent material. The first electrode (1002) functions as a cathode. For the first electrode (1002), any material having a work function, transparency, and conductivity lower than those of the second electrode (1005) can be used. In the present invention, the first electrode (1002) can be applied or thinly coated on the back surface of the first substrate (1001) by using a sputtering method or a spin coating method.
第1の電極(1002)として使用可能な物質としては、ITO(インジウムスズ酸化物)、FTO(フッ素をドープした酸化スズ)、ZnO−(Ga2O3またはAl2O3)、SnO2−Sb2O3等のうちの任意のものが含まれる。より好ましくは、ITOまたはFTOが使用される。 Examples of materials that can be used as the first electrode (1002) include ITO (indium tin oxide), FTO (fluorine-doped tin oxide), ZnO— (Ga 2 O 3 or Al 2 O 3 ), SnO 2 —. Any of Sb 2 O 3 and the like is included. More preferably, ITO or FTO is used.
無機酸化物層(1003)は、好ましくは、ナノ粒子の形態の遷移金属酸化物であり、酸化チタン、酸化スカンジウム、酸化バナジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ニオビウム、酸化モリブデン、酸化インジウム、酸化スズ、ランタン族酸化物、酸化タングステン、および酸化イリジウム等の遷移金属酸化物;酸化マグネシウムおよび酸化ストロンチウム等のアルカリ土類金属酸化物;ならびに酸化アルミニウム等を含む。特に、ナノ粒子の形態の酸化チタンが最も好ましい。
無機酸化物層(1003)は、熱処理に続く前記第1の電極(1002)の片面への被膜処理により、第1の電極(1002)に塗布される。一般に、ドクターブレード法またはスクリーンプリント法が、約5μm〜30μm、好ましくは10μm〜15μmの厚さで、無機酸化物を含有するペーストを第1の電極(1002)の裏面に被膜するために使用される。スピンコート法、スプレー法、および液状塗装法を使用してもよい。
The inorganic oxide layer (1003) is preferably a transition metal oxide in the form of nanoparticles, such as titanium oxide, scandium oxide, vanadium oxide, zinc oxide, gallium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, niobium oxide, molybdenum oxide. Transition metal oxides such as indium oxide, tin oxide, lanthanum group oxide, tungsten oxide, and iridium oxide; alkaline earth metal oxides such as magnesium oxide and strontium oxide; and aluminum oxide. In particular, titanium oxide in the form of nanoparticles is most preferred.
The inorganic oxide layer (1003) is applied to the first electrode (1002) by a coating process on one surface of the first electrode (1002) following the heat treatment. Generally, a doctor blade method or a screen printing method is used to coat a paste containing an inorganic oxide on the back surface of the first electrode (1002) with a thickness of about 5 μm to 30 μm, preferably 10 μm to 15 μm. The Spin coating, spraying, and liquid coating methods may be used.
本発明による色素増感太陽電池素子を構成する無機酸化物層(1003)上に、染料を吸収する前に、いくつかの機能を有する機能層を導入し得る。光散乱層(1005)の導入前に、無機酸化物層(1003)上に、界面接合を容易にすることを目的とした第1の界面接合層(1004)を形成することができる。 A functional layer having several functions can be introduced on the inorganic oxide layer (1003) constituting the dye-sensitized solar cell element according to the present invention before absorbing the dye. Prior to the introduction of the light scattering layer (1005), a first interface bonding layer (1004) intended to facilitate interface bonding can be formed on the inorganic oxide layer (1003).
第1の界面接合層(1004)の表面は、好ましくは均等に分布したナノ粒子および平滑性ならびに無機酸化物層(1003)よりも複雑な構造を有するべきである。界面接合層Iは、当該技術分野において従来使用されている任意の既知の方法で形成し得る。しかし、一般に、スピンコート法または浸漬法が、約2nm〜100nm、好ましくは約10nm〜100nm、より好ましくは30nm〜50nmの厚さで、無機酸化物を含有するペーストを無機酸化物層(1003)の裏面に被膜するために使用される。あるいは、スピンコート法、スプレー法、または液体塗装法を使用した後、熱処理が行われる。これら層は一般に、少なくとも無機酸化物を含み、好ましくは遷移金属酸化物、アルカリ金属酸化物、またはアルカリ土類金属酸化物、より好ましくは半導体酸化物を含む。前記界面接合層Iの構成要素は、無機酸化物層(1003)の構成要素と同じであってもよく、または異なってもよい。界面接合層Iは、例えば、酸化チタン、酸化スカンジウム、酸化バナジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ニオビウム、酸化モリブデン、酸化インジウム、酸化スズ、ランタン族酸化物、酸化タングステン、および酸化イリジウム等の遷移金属酸化物;酸化カルシウム、酸化マグネシウム、および酸化ストロンチウム等のアルカリ土類金属酸化物;酸化アルミニウム、酸化ナトリウム、酸化セリウム、酸化ニッケル、チタン酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、ならびに前記酸化物のうちの少なくとも2つの混合物を含む。特定の実施形態では、界面接合層Iは、無機酸化物層(1003)または無機酸化物層(1003)を構成要素として含有する化合物のうちのいずれか一方の構成要素で形成される。例えば、界面接合層Iは、酸化チタン、酸化タングステン、およびチタン−タングステン混合物の酸化物のうちの少なくとも1つで形成し得る。より好ましくは、酸化チタンが使用される。その理由は、酸化チタンが、電子移動に最も好ましいHOMO(最高被占分子軌道)値およびLUMO(最低空分子軌道)値を有するためである。 The surface of the first interfacial bonding layer (1004) should preferably have an evenly distributed nanoparticle and smoothness and a more complex structure than the inorganic oxide layer (1003). The interface bonding layer I can be formed by any known method conventionally used in the art. However, generally, a paste containing an inorganic oxide is applied to the inorganic oxide layer (1003) by spin coating or dipping in a thickness of about 2 nm to 100 nm, preferably about 10 nm to 100 nm, more preferably 30 nm to 50 nm. Used to coat the back side of Alternatively, heat treatment is performed after using a spin coating method, a spray method, or a liquid coating method. These layers generally comprise at least an inorganic oxide, preferably a transition metal oxide, alkali metal oxide, or alkaline earth metal oxide, more preferably a semiconductor oxide. The constituent elements of the interface bonding layer I may be the same as or different from the constituent elements of the inorganic oxide layer (1003). The interface bonding layer I includes, for example, titanium oxide, scandium oxide, vanadium oxide, zinc oxide, gallium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, niobium oxide, molybdenum oxide, indium oxide, tin oxide, lanthanum group oxide, tungsten oxide, and Transition metal oxides such as iridium oxide; alkaline earth metal oxides such as calcium oxide, magnesium oxide, and strontium oxide; aluminum oxide, sodium oxide, cerium oxide, nickel oxide, sodium titanate, potassium niobate, barium titanate , Strontium titanate, and a mixture of at least two of said oxides. In a specific embodiment, the interface bonding layer I is formed of any one component of the inorganic oxide layer (1003) or the compound containing the inorganic oxide layer (1003) as a component. For example, the interface bonding layer I may be formed of at least one of titanium oxide, tungsten oxide, and an oxide of a titanium-tungsten mixture. More preferably, titanium oxide is used. The reason is that titanium oxide has the most favorable HOMO (highest occupied molecular orbital) value and LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) value for electron transfer.
好ましい実施形態では、界面接合層Iは、ナノ粒子の形態の無機酸化物から形成され、粒子は、1nm〜50nm、好ましくは2nm〜30nm、より好ましくは5nm〜20nmの平均直径を有する。粒子の平均直径が1nm未満の場合、凝集現象が粒子間に発生し、そのため、均一な厚さを有する薄膜を準備することが難しい。むしろ、界面接合層内の抵抗の増大は、曲線因子(FF)の低減に繋がる。逆に、粒子の平均直径が50nmよりも大きい場合、界面接合層の厚さおよび多孔率が増大し、ひいては電子移動中に失われる電子の量が増大し、それにより、光電流値およびFFの低減に繋がる。本発明において、粒子の平均直径とは、顕微鏡画像の走査を通して測定される500個の粒子の直径の平均値を指す。 In a preferred embodiment, the interfacial bonding layer I is formed from an inorganic oxide in the form of nanoparticles, and the particles have an average diameter of 1 nm to 50 nm, preferably 2 nm to 30 nm, more preferably 5 nm to 20 nm. When the average diameter of the particles is less than 1 nm, an agglomeration phenomenon occurs between the particles, and therefore it is difficult to prepare a thin film having a uniform thickness. Rather, an increase in resistance in the interface bonding layer leads to a reduction in fill factor (FF). Conversely, when the average diameter of the particles is greater than 50 nm, the thickness and porosity of the interfacial bonding layer increases, and thus the amount of electrons lost during electron transfer, thereby increasing the photocurrent value and FF. It leads to reduction. In the present invention, the average particle diameter refers to the average value of the diameters of 500 particles measured through scanning of a microscope image.
導入された第1の界面接合層(1004)上に、光の吸収量を増大させる役割を果たす光散乱層(1005)が導入される。これら層は一般に、少なくとも無機酸化物を含み、好ましくは遷移金属酸化物、アルカリ金属酸化物、またはアルカリ土類金属酸化物を含み、より好ましくは半導体酸化物を含む。前記光散乱層の構成要素は、無機酸化物層(1003)または界面接合層の構成要素と同じであってもよく、または異なってもよい。光散乱層は、例えば、酸化チタン、酸化スカンジウム、酸化バナジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ニオビウム、酸化モリブデン、酸化インジウム、酸化スズ、ランタン族酸化物、酸化タングステン、および酸化イリジウム等の遷移金属酸化物;酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化ストロンチウム等のアルカリ土類金属酸化物;酸化アルミニウム、酸化ナトリウム、酸化セリウム、酸化ニッケル、チタン酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、ならびに前記酸化物のうちの少なくとも2つの混合物を含む。特定の実施形態では、光散乱層は、無機酸化物層(1003)または無機酸化物層(1003)を構成要素として含有する化合物のうちのいずれか一方の構成要素で形成される。例えば、光散乱層は、酸化チタン、酸化タングステン、およびチタン−タングステン混合物の酸化物のうちの少なくとも1つで形成し得る。より好ましくは、酸化チタンが使用される。その理由は、酸化チタンが、電子移動に最も好ましいHOMO値およびLUMO値を有するためである。 On the introduced first interface bonding layer (1004), a light scattering layer (1005) serving to increase the amount of light absorption is introduced. These layers generally contain at least an inorganic oxide, preferably a transition metal oxide, an alkali metal oxide, or an alkaline earth metal oxide, and more preferably a semiconductor oxide. The components of the light scattering layer may be the same as or different from the components of the inorganic oxide layer (1003) or the interface bonding layer. The light scattering layer is, for example, titanium oxide, scandium oxide, vanadium oxide, zinc oxide, gallium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, niobium oxide, molybdenum oxide, indium oxide, tin oxide, lanthanum oxide, tungsten oxide, and oxide. Transition metal oxides such as iridium; alkaline earth metal oxides such as calcium oxide, magnesium oxide, strontium oxide; aluminum oxide, sodium oxide, cerium oxide, nickel oxide, sodium titanate, potassium niobate, barium titanate, titanium Strontium acid, as well as a mixture of at least two of said oxides. In a specific embodiment, the light scattering layer is formed of any one component of the inorganic oxide layer (1003) or the compound containing the inorganic oxide layer (1003) as a component. For example, the light scattering layer may be formed of at least one of titanium oxide, tungsten oxide, and an oxide of a titanium-tungsten mixture. More preferably, titanium oxide is used. This is because titanium oxide has the most favorable HOMO and LUMO values for electron transfer.
好ましい実施形態では、光散乱層は、微細粒子の形態の無機酸化物から形成され、粒子は20nm〜1μm、好ましくは50nm〜600nm、より好ましくは100nm〜500nmの平均直径を有する。粒子の平均直径が20nm未満の場合、大半の光は透過して、所望の光散乱効果が得られない。逆に、粒子の平均直径が1μmよりも大きい場合、層の厚さおよび多孔率は増大し、ひいては電子移動中に失われる電子の量が増大し、それにより、光電流値およびFFが低減することになり、結果として、効率が低くなる。さらに、無機酸化物の粒子サイズの増大は、透過度を低減させる。したがって、そのように準備された色素増感太陽電池素子は不透明になり、その用途は限られる。光散乱層は、当該技術分野において従来使用される任意の既知の方法により形成することができる。しかし、一般に、ドクターブレード法またはスクリーンプリント法が使用されて、無機酸化物を含有するペーストを、第1の界面接合層(1004)が塗布される無機酸化物層(1003)の裏面に被膜させ、厚さは約500nm〜50μm、好ましくは約1μm〜30μm、より好ましくは3μm〜25μm、最も好ましくは5μm〜20μmである。あるいは、スピンコート法、スプレー法、浸漬法、または液体塗装法を使用した後、熱処理が行われる。 In a preferred embodiment, the light scattering layer is formed from an inorganic oxide in the form of fine particles, and the particles have an average diameter of 20 nm to 1 μm, preferably 50 nm to 600 nm, more preferably 100 nm to 500 nm. If the average diameter of the particles is less than 20 nm, most of the light is transmitted and the desired light scattering effect cannot be obtained. Conversely, if the average diameter of the particles is greater than 1 μm, the layer thickness and porosity increase, which in turn increases the amount of electrons lost during electron transfer, thereby reducing the photocurrent value and FF. As a result, the efficiency is lowered. Furthermore, increasing the particle size of the inorganic oxide reduces the permeability. Therefore, the dye-sensitized solar cell element thus prepared becomes opaque and its use is limited. The light scattering layer can be formed by any known method conventionally used in the art. However, generally, a doctor blade method or a screen printing method is used, and a paste containing an inorganic oxide is coated on the back surface of the inorganic oxide layer (1003) to which the first interface bonding layer (1004) is applied. The thickness is about 500 nm to 50 μm, preferably about 1 μm to 30 μm, more preferably 3 μm to 25 μm, and most preferably 5 μm to 20 μm. Alternatively, heat treatment is performed after using a spin coating method, a spray method, a dipping method, or a liquid coating method.
光散乱層(1005)上に、逆電流を回避するための第2の界面接合層(1006)が導入される。第2の界面接合層は、第1の界面接合層(1004)と同じように形成することができる。好ましい実施形態では、2枚の界面接合層は同じ構成要素、粒子サイズ等を共有する。逆電流は多くの場合、色素増感太陽電池内の電子移動の課程で発生する。第1に、染料層から無機酸化物層に輸送される電子が、透明電極への輸送に失敗し、電解質層に逆送され、それにより、透明電極に集められる電子の量が低減する場合に発生し得る。これは主に、無機酸化物層の不完全塗布部分で無機酸化物層と電解質層とが直接接触することに起因し、この直接接触は、無機酸化物層を界面接合層等を使用して保護することにより回避することができる。さらに、逆電流は、無機酸化物層を介して透明電極に集められた電子が電解質層に逆流し、それにより、光電流の値が低減する場合に発生し得る。これは、無機酸化物層の塗布時に生成される孔内で発生し、この孔の生成は、無機酸化物層を透明電極に塗布する前に、高濃度の無機酸化物層、すなわち界面接合層を塗布することにより回避することができる。 A second interface bonding layer (1006) for avoiding a reverse current is introduced on the light scattering layer (1005). The second interface bonding layer can be formed in the same manner as the first interface bonding layer (1004). In a preferred embodiment, the two interfacial bonding layers share the same components, particle size, etc. In many cases, the reverse current is generated in the course of electron transfer in the dye-sensitized solar cell. First, when electrons transported from the dye layer to the inorganic oxide layer fail to transport to the transparent electrode and are sent back to the electrolyte layer, thereby reducing the amount of electrons collected on the transparent electrode. Can occur. This is mainly due to the direct contact between the inorganic oxide layer and the electrolyte layer at the incompletely coated portion of the inorganic oxide layer. This direct contact is achieved by using the interface layer or the like for the inorganic oxide layer. It can be avoided by protecting. Further, the reverse current can occur when electrons collected on the transparent electrode through the inorganic oxide layer flow back to the electrolyte layer, thereby reducing the value of the photocurrent. This occurs in the pores generated during the application of the inorganic oxide layer, and this pore formation occurs before the inorganic oxide layer is applied to the transparent electrode. This can be avoided by applying
したがって、太陽光が照射されると、光散乱層および機能層が内部に導入された無機酸化物層に吸収された染料層(1007)内に光子が吸収されて、染料を励起状態に電子遷移させ、それにより、電子−正孔ペアを形成する。励起した電子は、無機酸化物層内の伝導帯に注入され、注入された電子は第1の電極(1002)に輸送され、次に、外部回路を介して第2の電極(1009)に輸送される。前記輸送された電子は、電解質層(1008)内に含まれる電解質の構成要素による酸化還元により、電解質層(1008)に輸送される。 Therefore, when irradiated with sunlight, photons are absorbed into the dye layer (1007) absorbed by the inorganic oxide layer into which the light scattering layer and the functional layer are introduced, and the dye is brought into an excited state to make an electronic transition. Thereby forming an electron-hole pair. The excited electrons are injected into the conduction band in the inorganic oxide layer, and the injected electrons are transported to the first electrode (1002) and then transported to the second electrode (1009) via an external circuit. Is done. The transported electrons are transported to the electrolyte layer (1008) by oxidation / reduction by an electrolyte component included in the electrolyte layer (1008).
一方、電子が無機酸化物内に輸送された後、染料は酸化されるが、電解質層(1008)から輸送された電子により還元される。したがって、電解質層(1008)は、第2の電極(1009)から染料に電子を輸送するものとして機能する。 On the other hand, after the electrons are transported into the inorganic oxide, the dye is oxidized, but is reduced by the electrons transported from the electrolyte layer (1008). Therefore, the electrolyte layer (1008) functions as transporting electrons from the second electrode (1009) to the dye.
本発明により無機酸化物層(1003)内に化学的に吸収された感光性染料は、紫外線および可視光領域内の光を吸収可能な材料としてルテニウム化合物等の染料を含む。無機酸化物層(1003)内に吸収された感光性染料は、ルテニウム錯体、例えば、ルテニウム535染料、ルテニウム535ビス−TBA染料、ルテニウム620−1H3TBA染料等からなる感光性染料を含む。好ましくは、ルテニウム535染料が使用される。さらに、無機酸化物層(1003)内に化学的に吸収される感光性染料は、電荷を分離可能な任意の染料であり得、ルテニウム系染料の他に、キサンタン系染料、シアニン系染料、ポルフィリン系染料、およびアントラキノン系染料を含む。
染料を無機酸化物層(1003)に吸収させるために、従来の方法を使用し得る。しかし、染料をアルコール、ニトリル、ハロゲン化炭化水素、エーテル、アミド、エステル、ケトン、N−メチルピロリドン等の溶媒に溶解させ、次に、無機酸化物層(1003)が被膜された光電極を溶液中に含浸させる方法が好ましい。
The photosensitive dye chemically absorbed in the inorganic oxide layer (1003) according to the present invention includes a dye such as a ruthenium compound as a material capable of absorbing ultraviolet light and light in the visible light region. The photosensitive dye absorbed in the inorganic oxide layer (1003) includes a ruthenium complex such as a ruthenium 535 dye, a ruthenium 535 bis-TBA dye, and a ruthenium 620-1H3TBA dye. Preferably, ruthenium 535 dye is used. Further, the photosensitive dye chemically absorbed in the inorganic oxide layer (1003) can be any dye capable of separating charges, and besides a ruthenium dye, a xanthan dye, a cyanine dye, a porphyrin System dyes and anthraquinone dyes.
Conventional methods may be used to absorb the dye into the inorganic oxide layer (1003). However, the dye is dissolved in a solvent such as alcohol, nitrile, halogenated hydrocarbon, ether, amide, ester, ketone, N-methylpyrrolidone, and then the photoelectrode coated with the inorganic oxide layer (1003) is used as a solution. The method of impregnating in is preferable.
一方、電解質層(1008)は、従来の太陽電池素子の電解質層内に含まれる電解質組成物が、本発明のエレクトロスピニングされたポリマーナノ繊維と混合された電解質を使用する。PVDF、PVDF−HFP、PAN、PEO、PMMA、PVA等が、エレクトロスピニングでの使用に好ましく、PVDF−HFPがより好ましい。
エレクトロスピニング法を介して準備されたポリマーナノ繊維は、電解質層(1008)の合計量に基づいて、5:95質量パーセント、好ましくは20:80質量パーセント、より好ましくは40:60質量パーセントの比で混合される。
On the other hand, the electrolyte layer (1008) uses an electrolyte in which an electrolyte composition contained in an electrolyte layer of a conventional solar cell element is mixed with the electrospun polymer nanofiber of the present invention. PVDF, PVDF-HFP, PAN, PEO, PMMA, PVA and the like are preferable for use in electrospinning, and PVDF-HFP is more preferable.
Polymer nanofibers prepared via the electrospinning method have a ratio of 5:95 weight percent, preferably 20:80 weight percent, more preferably 40:60 weight percent, based on the total amount of electrolyte layer (1008). Mixed in.
図2は、エレクトロスピニング装置の概略図を示す。エレクトロスピニング装置は、ナノ繊維を形成するために電圧を印加する電圧を電圧供給源(2001)と、ポリマー溶液を定期的に噴霧する溶液トランスポータ(2002)と、電圧供給源から印加される電圧を使用することにより、溶液トランスポータから運搬されたポリマー溶液からポリマーナノ繊維を生成するエレクトロスピナ(2003)と、エレクトロスピナからスピニングされたナノ繊維を収集するコレクタ(2004)とを備える。 FIG. 2 shows a schematic view of an electrospinning apparatus. The electrospinning apparatus includes a voltage supply source (2001) for applying a voltage to form nanofibers, a solution transporter (2002) for periodically spraying a polymer solution, and a voltage applied from the voltage supply source. Using an electrospinner (2003) for producing polymer nanofibers from a polymer solution transported from a solution transporter, and a collector (2004) for collecting nanofibers spun from the electrospinner.
電解質層(1008)内に加えられるナノ繊維について詳細に説明する。第1に、ポリマーナノ繊維がエレクトロスピニング法によりポリマー濃縮により準備される場合、使用されるポリマーは、5〜19質量パーセント、好ましくは11〜17質量パーセントの量で溶媒に混合される。本明細書において使用される溶媒として、例えば、ジメチルアセトアミドおよびアセトンが3:7の質量比で存在し得る。 The nanofiber added in the electrolyte layer (1008) will be described in detail. First, when the polymer nanofibers are prepared by polymer concentration by electrospinning, the polymer used is mixed with the solvent in an amount of 5 to 19 weight percent, preferably 11 to 17 weight percent. As a solvent used herein, for example, dimethylacetamide and acetone may be present in a mass ratio of 3: 7.
一方、本発明の固体電解質は、ナノサイズの金属添加物(例えば、Ag)または無機ナノ充填材をさらに含むことができる。無機ナノ充填材として、Al2O3またはBaTiO3が好ましいが、これらに限定されない。
金属添加物がポリマーナノ繊維内に導入される場合、エレクトロスピニングに使用される溶液のポリマー濃度に対して、金属添加物を0.1〜30質量パーセント、好ましくは1〜20質量パーセントの量で溶媒に混合することができる。無機ナノ充填材添加物がポリマーナノ繊維に導入される場合、無機ナノ充填材添加物は、エレクトロスピニングに使用される溶液のポリマー濃度に対して1〜50質量パーセント、好ましくは10〜40質量パーセントの量で溶媒に混合することができる。
Meanwhile, the solid electrolyte of the present invention may further include a nano-sized metal additive (for example, Ag) or an inorganic nano filler. As the inorganic nanofiller, Al 2 O 3 or BaTiO 3 is preferable, but not limited thereto.
When the metal additive is introduced into the polymer nanofiber, the metal additive is present in an amount of 0.1 to 30 weight percent, preferably 1 to 20 weight percent, based on the polymer concentration of the solution used for electrospinning. Can be mixed with solvent. When the inorganic nanofiller additive is introduced into the polymer nanofiber, the inorganic nanofiller additive is 1 to 50 weight percent, preferably 10 to 40 weight percent based on the polymer concentration of the solution used for electrospinning. Can be mixed with the solvent in the amount of.
第2に、ポリマーナノ繊維が、エレクトロスピニング法により印加電圧により準備される場合、エレクトロスピニングは、ポリマー質量および紡糸距離(TCD:tip to collector distance)が15質量パーセントおよび15cmのそれぞれに保たれ、印加電圧の範囲が6kV〜25kV、好ましくは8kV〜20kVであるという条件下で実行される。 Second, when the polymer nanofibers are prepared with an applied voltage by an electrospinning method, the electrospinning is maintained at a polymer mass and spinning distance (TCD) of 15 weight percent and 15 cm, respectively, It is performed under the condition that the range of the applied voltage is 6 kV to 25 kV, preferably 8 kV to 20 kV.
最後に、ポリマーナノ繊維がエレクトロスピニング法によりTCDにより準備される場合、エレクトロスピニングは、ポリマー質量および印加電圧が15質量パーセントおよび14kVのそれぞれに固定され、TCDが9cm〜21cm、好ましくは13cm〜19cmであるという条件下で実行される。溶液トランスポータにおいて、ポリマー溶液は1ml/h〜5ml/h、好ましくは2ml/hの流速で供給される。
ポリマーナノ繊維が上述したエレクトロスピニング法により準備される場合、ポリマー濃度の範囲が11〜17質量パーセントであり、印加電圧が8kV〜14kVであり、TCDが13cm〜19cmであり、溶液が2ml/hの流速で供給される条件が最も好ましい。
Finally, when polymer nanofibers are prepared by TCD by electrospinning method, electrospinning is fixed at polymer mass and applied voltage of 15 mass percent and 14 kV, respectively, and TCD is 9 cm to 21 cm, preferably 13 cm to 19 cm. It is executed under the condition that In the solution transporter, the polymer solution is supplied at a flow rate of 1 ml / h to 5 ml / h, preferably 2 ml / h.
When polymer nanofibers are prepared by the electrospinning method described above, the polymer concentration range is 11-17 mass percent, the applied voltage is 8 kV-14 kV, the TCD is 13 cm-19 cm, and the solution is 2 ml / h. Most preferably, the conditions are as follows:
さらに、電解質層(1008)に使用される電解質は、I2と金属ヨウ化物または有機ヨウ化物との組み合わせ(金属ヨウ化物または有機ヨウ化物/I2)を酸化還元対として含むことができる。さらに、Br2と金属臭化物または有機臭化物との組み合わせ(金属臭化物または有機臭化物/Br2)を酸化還元対として使用してもよい。
本発明において使用される電解質では、金属ヨウ化物または金属臭化物内の金属陽イオンは、Li、Na、K、Mg、Ca、Cs等を含む。有機ヨウ化物または有機臭化物内の陽イオンとして、イミダゾリウム、テトラアルキルアンモニウム、ピリジニウム、トリアゾリウム等のアンモニア化合物が適するが、陽イオンは上に列挙された化合物に限定されない。電解質に使用するために、上記から選択される少なくとも2つの化合物を混合してもよく、LiIまたはイミダゾリウムヨウ化物とI2の組み合わせの酸化還元対が特に好ましい。
Further, the electrolyte used for the electrolyte layer (1008) can include a combination of I 2 and a metal iodide or an organic iodide (metal iodide or organic iodide / I 2 ) as a redox pair. Further, a combination of Br 2 and a metal bromide or organic bromide (metal bromide or organic bromide / Br 2 ) may be used as a redox pair.
In the electrolyte used in the present invention, the metal cation in the metal iodide or metal bromide includes Li, Na, K, Mg, Ca, Cs and the like. As the cation in the organic iodide or the organic bromide, ammonia compounds such as imidazolium, tetraalkylammonium, pyridinium, triazolium are suitable, but the cation is not limited to the compounds listed above. For use in the electrolyte may be a mixture of at least two compounds selected from the redox pair combination of LiI or imidazolium iodide and I 2 is particularly preferable.
上述した溶媒が、本発明による電解質組成物に使用される場合、金属ヨウ化物または金属臭化物がヨウ化物(I2)または臭化物(Br2)と結合され、その結合物を酸化還元対として使用することができる。したがって、酸化還元対LiI/I2、KI/I2、NaI/I2、CsI/I2、Pr4NI(テトラプロピルアンモニウムヨウ化物)/I2、TBAI(テトラブチルアンモニウムヨウ化物)/I2等が使用され、好ましくは、TBAI/I2の対が使用される。 When the above-mentioned solvent is used in the electrolyte composition according to the present invention, metal iodide or metal bromide is combined with iodide (I 2 ) or bromide (Br 2 ), and the combined product is used as a redox pair. be able to. Therefore, the redox couples LiI / I 2 , KI / I 2 , NaI / I 2 , CsI / I 2 , Pr 4 NI (tetrapropylammonium iodide) / I 2 , TBAI (tetrabutylammonium iodide) / I 2 Etc., preferably a TBAI / I 2 pair is used.
本発明により使用可能な電解質のうち、イオン液体として使用可能な有機ハロゲン化物として、n−メチルイミダゾリウムヨウ化物、1−ベンジル−2−メチルイミダゾリウムヨウ化物、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムヨウ化物、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムヨウ化物等がある。特に、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムヨウ化物が好ましく、上に列挙した材料は、ヨウ化物(I2)と組み合わせて使用してもよい。イオン液体、すなわち溶解塩等を使用する場合、電解質組成物は、溶媒のない状態では固体の電解質を形成し得る。 Among the electrolytes usable according to the present invention, n-methylimidazolium iodide, 1-benzyl-2-methylimidazolium iodide, 1-ethyl-3-methylimidazolium can be used as an organic halide usable as an ionic liquid. Examples include iodide, 1-butyl-3-methylimidazolium iodide, and the like. In particular, 1-ethyl-3-methylimidazolium iodide is preferred, and the materials listed above may be used in combination with iodide (I 2 ). When an ionic liquid, that is, a dissolved salt or the like is used, the electrolyte composition can form a solid electrolyte in the absence of a solvent.
一方、第2の基板(1010)の逆の表面に被膜される第2の電極(1009)は、陽極として機能する。第2の電極(1009)は、スパッタリングまたはスピンコートを使用することにより第2の基板(1010)の逆の表面に噴霧または被膜することができる。
第2の電極(1009)に使用可能な材料は、第1の電極(1002)に使用される材料よりも大きな仕事関数を有する材料であり、白金(Pt)、金、炭素等を含み、白金が好ましい。
前記第2の基板(1010)は、第1の基板(1001)と同様の透明な材料である。第2の基板(1010)は、PET(ポリエチレンテレフタラート)、PEN(ポリエチレンナフタレート)、PP(ポリプロピレン)、PI(ポリアミド)、TAC(三酢酸セルロース)を含む、ガラスまたはプラスチック等の透明材料から準備することができ、好ましくは、ガラスから準備される。
On the other hand, the second electrode (1009) coated on the opposite surface of the second substrate (1010) functions as an anode. The second electrode (1009) can be sprayed or coated on the opposite surface of the second substrate (1010) by using sputtering or spin coating.
The material that can be used for the second electrode (1009) is a material having a work function larger than that of the material used for the first electrode (1002), and includes platinum (Pt), gold, carbon, and the like. Is preferred.
The second substrate (1010) is a transparent material similar to the first substrate (1001). The second substrate (1010) is made of a transparent material such as glass or plastic including PET (polyethylene terephthalate), PEN (polyethylene naphthalate), PP (polypropylene), PI (polyamide), TAC (cellulose triacetate). Can be prepared, preferably from glass.
本発明の好ましい実施例により準備される色素増感太陽電池は、以下のように製造される。
まず、無機酸化物、好ましくはコロイド状態の酸化チタンを、約5nm〜30μmの厚さで、第1の電極材料が被膜された第1の基板の表面に噴霧または被膜し、約450℃〜約550℃の温度で焼結して、有機体が除去された第1の基板/第1の電極/無機酸化物被膜/積層光電極を形成する。続けて、準備された無機酸化物層に染料を吸収させるために、染料、例えばルテニウム535を、事前に準備されていたエタノール溶液に添加して、染料溶液を準備する。その後、無機酸化物層で被膜された透明基板(例えば、FTOが被膜された光電極またはガラス基板等)を、形成された染料溶液中に入れ、それにより、染料が無機酸化物層に吸収される。染料を無機酸化物層に完全に吸収させた後、物理的に吸収された染料を除去するために、無機酸化物層をエタノール等で洗浄し、乾燥させた。
染料を吸収した無機酸化物層で被膜された透明基板が準備される場合、本発明によるポリマー繊維は、電解質溶液が添加されて電解質として使用され、白金前駆体を焼結することにより製造される白金電極をガラス基板に接合して、本発明による色素増感太陽電池を得る。
The dye-sensitized solar cell prepared according to the preferred embodiment of the present invention is manufactured as follows.
First, an inorganic oxide, preferably colloidal titanium oxide, is sprayed or coated on the surface of the first substrate coated with the first electrode material at a thickness of about 5 nm to 30 μm, and about 450 ° C. to about Sintering is performed at a temperature of 550 ° C. to form a first substrate / first electrode / inorganic oxide film / laminated photoelectrode from which organic substances are removed. Subsequently, in order to make the prepared inorganic oxide layer absorb the dye, a dye, for example, ruthenium 535, is added to the ethanol solution prepared in advance to prepare the dye solution. Thereafter, a transparent substrate coated with an inorganic oxide layer (for example, a photoelectrode or glass substrate coated with FTO) is placed in the formed dye solution, whereby the dye is absorbed into the inorganic oxide layer. The After the dye was completely absorbed by the inorganic oxide layer, the inorganic oxide layer was washed with ethanol or the like and dried in order to remove the physically absorbed dye.
When a transparent substrate coated with an inorganic oxide layer that has absorbed a dye is prepared, the polymer fiber according to the present invention is prepared by adding an electrolyte solution to be used as an electrolyte and sintering a platinum precursor. A platinum electrode is joined to a glass substrate to obtain a dye-sensitized solar cell according to the present invention.
実施例1:界面接合層(BL)および散乱層(SL)が導入された無機酸化物層の準備
チタン(IV)イソプロポキシドとエタノールとの混合溶液を1:10の体積比でスピンコート法により準備した後、混合溶液を、15mm×15mmサイズに切断されたFTOガラス基板(フッ素がドープされた酸化スズ、SnO2:F、15Ω/sq)上に1500rpmで20秒間、薄く塗布した。次に、これを電気るつぼ内に配置し、温度を室温から500℃に上昇させ、有機化合物を約30分間除去し、室温まで冷却させた。加熱率および冷却率はそれぞれ約5℃/分である。粒子サイズ9nmのコロイド状態の酸化チタンペーストをドクターブレード法により、約10μmの厚さを有するように基板に薄く塗布した後、電気るつぼ内に配置し、温度を室温から500℃に上昇させ、室温まで冷却させた。次に、界面接合層Iを最初の方法と同じように導入することにより、チタン(IV)イソプロポキシドとエタノールとの混合溶液を基板に薄く塗布した後、電気るつぼ内に配置し、温度を室温から500℃に上昇させ、室温まで冷却させた。ドクターブレード法により、粒子サイズ300nmのコロイド状態の酸化チタンペーストを基板に薄く塗布した後、温度を室温から500℃に上昇させ、室温まで冷却させた。粒子サイズ300nm以上のTiO2層を導入して、光を散乱させることにより光の吸収を増大させる。最後に、チタン(IV)イソプロポキシドとエタノールとの混合溶液を基板に薄く塗布した後、電気るつぼ内に配置し、温度を室温から500℃に上昇させ、室温まで冷却させて、最初の方法と同じように界面接合層IIを導入した。図3〜図5は、導入された界面接合層を有する無機酸化物層および無機酸化物層上の光散乱層のSEM図および側面断面図を示す。
Example 1 Preparation of Inorganic Oxide Layer Introduced with Interfacial Bonding Layer (BL) and Scattering Layer (SL) Spin coating method using a mixed solution of titanium (IV) isopropoxide and ethanol at a volume ratio of 1:10 Then, the mixed solution was thinly applied at 1500 rpm for 20 seconds on an FTO glass substrate (fluorine-doped tin oxide, SnO 2 : F, 15Ω / sq) cut to a size of 15 mm × 15 mm. This was then placed in an electric crucible, the temperature was raised from room temperature to 500 ° C., the organic compound was removed for about 30 minutes and allowed to cool to room temperature. The heating rate and cooling rate are each about 5 ° C./min. A colloidal titanium oxide paste having a particle size of 9 nm is thinly applied to a substrate so as to have a thickness of about 10 μm by the doctor blade method, and then placed in an electric crucible, and the temperature is raised from room temperature to 500 ° C. Until cooled. Next, by introducing the interface bonding layer I in the same manner as the first method, a mixed solution of titanium (IV) isopropoxide and ethanol is thinly applied to the substrate, and then placed in an electric crucible, and the temperature is set. The temperature was raised from room temperature to 500 ° C. and cooled to room temperature. After colloidal titanium oxide paste having a particle size of 300 nm was thinly applied to the substrate by the doctor blade method, the temperature was raised from room temperature to 500 ° C. and cooled to room temperature. The absorption of light is increased by introducing a TiO 2 layer having a particle size of 300 nm or more and scattering the light. Finally, after a thin solution of a mixed solution of titanium (IV) isopropoxide and ethanol is applied to the substrate, it is placed in an electric crucible, the temperature is raised from room temperature to 500 ° C., and cooled to room temperature. The interface bonding layer II was introduced in the same manner as described above. 3 to 5 show an SEM diagram and a side cross-sectional view of an inorganic oxide layer having an introduced interface bonding layer and a light scattering layer on the inorganic oxide layer.
実施例2:染料の吸収
有機化合物が除去され、酸化チタンのみが塗布された基板を、室温で24時間、染料溶液内に配置して、染料を酸化チタン層に吸収させる。使用される染料は、ソラノニクス(Solaronix)(スイス)から市販されているシス−ビス(イソチオシアナト)ビス(2,2’−ビピリジル−4,4’−ジカルボキシラート)−ルテニウム(II)(ルテニウム535染料)であった。ルテニウム535染料の溶液は、ルテニウム535染料を100mlのエタノールに20mgの濃度で溶かすことにより準備した。酸化チタン基板を24時間浸し、溶液から取り出した後、染料を吸収した酸化チタン基板をエタノールで再び洗浄して、物理的に吸収された染料層を除去し、次に、基板を60℃で再び乾燥させた。
Example 2: Absorption of dye A substrate on which organic compounds have been removed and only titanium oxide has been applied is placed in a dye solution for 24 hours at room temperature to allow the titanium oxide layer to absorb the dye. The dye used is cis-bis (isothiocyanato) bis (2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylate) -ruthenium (II) (ruthenium 535) commercially available from Solaronix (Switzerland). Dye). A solution of ruthenium 535 dye was prepared by dissolving ruthenium 535 dye in 100 ml ethanol at a concentration of 20 mg. After immersing the titanium oxide substrate for 24 hours and removing it from the solution, the titanium oxide substrate that has absorbed the dye is washed again with ethanol to remove the physically absorbed dye layer, and then the substrate is again at 60 ° C. Dried.
染料2を、ポリビニルアルコール繊維を使用する色素増感太陽電池に使用した。使用した染料は、ソラノニクス(Solaronix)(スイス)から市販されているシス−ジイソチオシアナト−ビス(2,2−ビピリジル−4,4−ジカルボキシラート)ルテニウム(II)ビス(テトラブチルアンモニウム)であった。ルテニウム535ビスTBAの溶液は、0.5mmolの濃度で純粋エタノールにルテニウム535ビスTBAを溶かすことにより準備する。酸化チタン基板をルテニウム535ビスTBAの溶液に24時間浸し、溶液から取り出した後、染料を吸収した酸化チタン基板をエタノールで再び洗浄して、物理的に吸収された染料層を除去し、次に、基板を60℃で再び乾燥させた。
実施例3:エレクトロスピニング用のPVDF−HFPポリマー溶液の準備
ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンを、アセトンとN,N−ジメチルアセトアミド(質量比7:3)の混合溶液に溶解させて、PVDF−HFPポリマー溶液を準備した。攪拌器内で24時間攪拌し、超音波処理を30分間行うことにより、完全に溶解させた。
Example 3: Preparation of PVDF-HFP polymer solution for electrospinning Polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene was dissolved in a mixed solution of acetone and N, N-dimethylacetamide (mass ratio 7: 3) to obtain PVDF-HFP. A polymer solution was prepared. The mixture was stirred for 24 hours in a stirrer and sonicated for 30 minutes for complete dissolution.
実施例4:Ag含有PVDF−HFPポリマー溶液の準備
ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンを、アセトンとN,N−ジメチルアセトアミド(質量比2:1)の混合溶液に溶解させ、続けて、ポリマーに対して1〜20質量%の量のAgを添加し、PVDF−HFPポリマー溶液を準備した。攪拌器内で24時間攪拌し、超音波処理を30分間行うことにより、完全に溶解させた。
Example 4: Preparation of Ag-containing PVDF-HFP polymer solution Polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene was dissolved in a mixed solution of acetone and N, N-dimethylacetamide (mass ratio 2: 1), followed by 1 to 20% by mass of Ag was added to prepare a PVDF-HFP polymer solution. The mixture was stirred for 24 hours in a stirrer and sonicated for 30 minutes for complete dissolution.
実施例5:無機ナノ充填材含有PVDF−HFPポリマー溶液の準備
ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンおよび無機ナノ充填材として個々に計量されたAl2O3およびBaTiO3を混合して、無機ナノ充填材を含むポリマー溶液を準備した。使用した無機ナノ充填材の量は、使用したポリマーに対して10〜40質量%であった。この混合物をアセトンとN,N−ジメチルアセトアミド(質量比7:3)との混合溶液に溶解させた。攪拌器内で24時間攪拌し、超音波処理を30分間行うことにより、完全に溶解させた。
Example 5: Preparation of polyvinylidene fluoride of an inorganic nanofiller-containing PVDF-HFP polymer solution - a mixture of Al 2 O 3 and BaTiO 3 were weighed individually as hexafluoropropylene and inorganic nanofillers, inorganic nanofiller A polymer solution containing was prepared. The amount of inorganic nanofiller used was 10-40% by weight based on the polymer used. This mixture was dissolved in a mixed solution of acetone and N, N-dimethylacetamide (mass ratio 7: 3). The mixture was stirred for 24 hours in a stirrer and sonicated for 30 minutes for complete dissolution.
実施例6:エレクトロスピニング用のPVAポリマー溶液の準備
蒸留水に対して10質量%の量でポリビニルアルコール(PVA)を蒸留水に溶解させて、PVAポリマー溶液を準備した。この溶液を攪拌器内で80℃で6時間攪拌し、より低い温度である室温でさらに24時間攪拌し、蒸留水中に完全に溶解させ、次に、超音波処理を1時間行った。
Example 6: Preparation of PVA polymer solution for electrospinning PVA polymer solution was prepared by dissolving polyvinyl alcohol (PVA) in distilled water in an amount of 10 mass% with respect to distilled water. This solution was stirred in a stirrer at 80 ° C. for 6 hours, further stirred for 24 hours at a lower temperature, room temperature, completely dissolved in distilled water, and then sonicated for 1 hour.
実施例7:Ag含有PVAポリマー溶液の準備
蒸留水に対して10質量%の量でポリビニルアルコール(PVA)を蒸留水に溶解させてから、Agを添加して、Agを含有するPVAポリマー溶液を準備した。この溶液を攪拌器内で80℃で6時間攪拌し、温度を室温まで下げて、ポリビニルアルコールを蒸留水に完全に溶解させた。硝酸の希釈液を2、3滴、溶液に添加して、Agをポリマーに対して0.01質量%の量で添加することにより形成されたポリマー溶液の攪拌中でのAgの低減を回避した。この溶液を攪拌器内でさらに24時間攪拌してよく混ぜ、超音波処理を1時間行った。
Example 7: Preparation of Ag-containing PVA polymer solution Polyvinyl alcohol (PVA) was dissolved in distilled water in an amount of 10% by mass with respect to distilled water, Ag was added, and a PVA polymer solution containing Ag was prepared. Got ready. This solution was stirred in a stirrer at 80 ° C. for 6 hours, the temperature was lowered to room temperature, and polyvinyl alcohol was completely dissolved in distilled water. A few drops of nitric acid were added to the solution to avoid Ag reduction during stirring of the polymer solution formed by adding Ag in an amount of 0.01% by weight to the polymer. . This solution was further stirred for 24 hours in a stirrer and mixed well, and sonication was performed for 1 hour.
実施例8:エレクトロスピニング用のポリマー混合溶液の準備
ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチルのそれぞれをポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンに添加することにより、ポリマー混合溶液を準備した。使用した溶媒は、PVDF−HFPおよびPSが混合される場合はDMFであるが、PVDF−HFPおよびPMMAが混合される場合にはアセトンとN,N−ジメチルアセトアミド(質量比7:3)の混合溶液に溶解させた。この溶液を攪拌器内で24時間攪拌し、超音波処理を30分間行い、完全に溶解させた。
Example 8: Preparation of polymer mixed solution for electrospinning A polymer mixed solution was prepared by adding each of polystyrene and polymethyl methacrylate to polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene. The solvent used is DMF when PVDF-HFP and PS are mixed, but when PVDF-HFP and PMMA are mixed, acetone and N, N-dimethylacetamide (mass ratio 7: 3) are mixed. Dissolved in solution. This solution was stirred for 24 hours in a stirrer and subjected to ultrasonic treatment for 30 minutes to be completely dissolved.
実施例9:エレクトロスピニングによるPVDF−HFPポリマーナノ繊維の準備
ポリマーの質量%、供給電圧、および紡糸間隔を変更することにより、エレクトロスピニングを実行して、ナノ規模の様々な直径を得た。溶媒に溶解したポリマーを、溶液トランスポータ内で定率でエレクトロスピナに導入した。実験では、出力率は2ml/hであった。ポリマーが溶媒に溶解する場合、ポリマーの量を溶液に対して11質量%〜17質量%の間で変更することにより、ポリマーナノ繊維を製造した。ポリマーの量は、本発明の構造内で触れたように、適した範囲である。電圧供給源からの電圧を8kV〜14kVの間で変更することにより、エレクトロスピニングを実行した。紡糸距離を13cm〜19cmの間で変更することにより、エレクトロスピニングを実行した。エレクトスピニングポリマーナノ繊維は、15質量%、14kV、および15cmという最適な条件で製造された。
Example 9: Preparation of PVDF-HFP polymer nanofibers by electrospinning Electrospinning was performed to obtain various nanoscale diameters by changing the polymer mass%, supply voltage, and spinning interval. The polymer dissolved in the solvent was introduced into the electrospinner at a constant rate in a solution transporter. In the experiment, the output rate was 2 ml / h. When the polymer was dissolved in the solvent, polymer nanofibers were produced by changing the amount of polymer between 11% and 17% by weight with respect to the solution. The amount of polymer is in a suitable range as mentioned in the structure of the present invention. Electrospinning was performed by changing the voltage from the voltage source between 8 kV and 14 kV. Electrospinning was performed by changing the spinning distance between 13 cm and 19 cm. Electrospinning polymer nanofibers were produced at optimal conditions of 15 wt%, 14 kV, and 15 cm.
実施例10:エレクトロスピニングによるAg含有PVDF−HFPポリマーナノ繊維の準備
ポリマーの質量%、供給電圧、および紡糸間隔を変更することにより、エレクトロスピニングを実行して、Agを含有する様々な直径のPVDF−HFPナノ繊維を得た。さらに、1質量%〜20質量%のAgを導入することで条件を変更することにより、ポリマーナノ繊維を製造した。実験では、溶液トランスポータからの出力率は0.2ml/h〜2.0ml/hであった。電圧供給源からの電圧を8kV〜20kVの間で変更することにより、エレクトロスピニングを実行した。紡糸距離を13cm〜21cmの間で変更することにより、エレクトロスピニングナノ繊維を製造した。
Example 10: Preparation of Ag-containing PVDF-HFP polymer nanofibers by electrospinning Electrospinning was performed by changing the polymer mass%, supply voltage, and spinning interval to vary the diameter of PVDF containing Ag. -HFP nanofibers were obtained. Furthermore, polymer nanofibers were produced by changing the conditions by introducing 1% by mass to 20% by mass of Ag. In the experiment, the output rate from the solution transporter was 0.2 ml / h to 2.0 ml / h. Electrospinning was performed by changing the voltage from the voltage source between 8 kV and 20 kV. Electrospun nanofibers were produced by changing the spinning distance between 13 cm and 21 cm.
実施例11:エレクトロスピニングによる無機ナノ充填材含有PVDF−HFPポリマーナノ繊維の準備
ポリマーの質量%、供給電圧、および紡糸間隔を変更することにより、エレクトロスピニングを実行して、ナノ規模の無機ナノ充填材を含有する様々な直径のPVDF−HFPナノ繊維を得た。さらに、10質量%〜40質量%の無機ナノ充填材(Al2O3、BaTiO3)を導入することで条件を変更することにより、ポリマーナノ繊維を製造した。実験では、溶液トランスポータからの出力率は1.5ml/hであった。電圧供給源からの電圧を12kV〜15kVの間で変更することにより、エレクトロスピニングを実行した。紡糸距離を15cm〜18cmの間で変更することにより、エレクトロスピニングナノ繊維を製造した。
Example 11: Preparation of inorganic nanofiller-containing PVDF-HFP polymer nanofibers by electrospinning Electrospinning was performed by changing the polymer mass%, supply voltage, and spinning interval to achieve nanoscale inorganic nanofilling PVDF-HFP nanofibers of various diameters containing the material were obtained. Furthermore, polymer nanofibers were produced by changing the conditions by introducing 10% by mass to 40% by mass of inorganic nanofillers (Al 2 O 3 , BaTiO 3 ). In the experiment, the output rate from the solution transporter was 1.5 ml / h. Electrospinning was performed by changing the voltage from the voltage source between 12 kV and 15 kV. Electrospun nanofibers were produced by changing the spinning distance between 15 cm and 18 cm.
実施例12:PVAエレクトロスピニングによるポリマーナノ繊維の準備
ポリビニルアルコール(PVA)繊維を準備する場合、ポリマーの質量%、供給電圧、および紡糸間隔を変更することにより、エレクトロスピニングを実行して、上述したようにナノ規模の直径を得た。実験では、溶液トランスポータからの出力率は0.6ml/hであった。ポリマーを溶媒に溶解させる場合、ポリマーの量を溶液に対して8質量%〜10質量%の間で変更することにより、ポリマーナノ繊維を製造した。電圧供給源からの電圧を15kV〜20kVの間で変更することにより、繊維を製造した。紡糸距離を15cm〜22cmの間で変更することにより、エレクトロスピニングを実行した。ポリマーナノ繊維は、9質量%、20kV、および20cmという最適な条件で製造された。
Example 12: Preparation of polymer nanofibers by PVA electrospinning When preparing polyvinyl alcohol (PVA) fibers, electrospinning was performed by changing the polymer mass%, supply voltage, and spinning interval, as described above. So we got a nanoscale diameter. In the experiment, the output rate from the solution transporter was 0.6 ml / h. When the polymer was dissolved in the solvent, polymer nanofibers were produced by changing the amount of the polymer between 8% by mass and 10% by mass with respect to the solution. Fibers were produced by changing the voltage from the voltage source between 15 kV and 20 kV. Electrospinning was performed by changing the spinning distance between 15 cm and 22 cm. Polymer nanofibers were produced under optimal conditions of 9% by weight, 20 kV, and 20 cm.
実施例13:Ag含有PVAのエレクトロスピニングを使用してのポリマーナノ繊維の準備
Ag含有ポリビニルアルコール繊維が準備される場合、実施例7と同じ条件でエレクトロスピニングを実行した。グラファイトで作られたアダプタを使用して、エレクトロスピニング中のAgの低減を回避したが、エレクトロスピニングを実行する場合、ステンレス鋼で作られたアダプタが通常、先端とノズルとを接続するために使用される。最後に、Ag含有繊維を紡糸した後、熱板上に15分間押し付けて、Agを低減させた。
Example 13: Preparation of polymer nanofibers using electrospinning of Ag-containing PVA When Ag-containing polyvinyl alcohol fibers were prepared, electrospinning was performed under the same conditions as in Example 7. An adapter made of graphite was used to avoid Ag reduction during electrospinning, but when performing electrospinning, an adapter made of stainless steel is typically used to connect the tip to the nozzle Is done. Finally, after spinning the Ag-containing fiber, it was pressed on a hot plate for 15 minutes to reduce Ag.
実施例14:混合ポリマーのエレクトロスピニングを使用してのポリマーナノ繊維の準備
PVDF−HFPとポリスチレンを混合した後、実験では、溶液トランスポータからの出力率0.5ml/hで、電圧供給源からの電圧を13kV〜20kVの間で変更してエレクトロスピニングを実行した。紡糸距離を15cm〜23cmの間で変更することにより、エレクトロスピニングポリマーナノ繊維を製造した。ポリマーナノ繊維は、15質量%、20kV、および23cmという最適な条件で製造された。
Example 14: Preparation of polymer nanofibers using electrospinning of mixed polymer After mixing PVDF-HFP and polystyrene, the experiment was conducted with a power supply from a solution transporter at a rate of 0.5 ml / h from a voltage source. The electrospinning was performed by changing the voltage of 13 kV to 20 kV. Electrospun polymer nanofibers were produced by changing the spinning distance between 15 cm and 23 cm. Polymer nanofibers were produced under optimal conditions of 15 wt%, 20 kV, and 23 cm.
実施例15:走査型電子顕微鏡法を使用してのPVDF−HFPポリマーナノ繊維の表面およびナノ繊維の分布の解析
図6Aおよび図6Bは、15質量%のポリマーを有するポリマー繊維の表面画像および直径の分布図である。供給電圧14kV、紡糸距離15cm、溶液供給率2ml/hで、ポリマーの質量%を変更することにより、ポリマーナノ繊維を製造した。図6Aおよび図6Bに示されるように、得られたナノ繊維は、直径800nm〜1000nmで最も均一な分布を有することが明らかになった。
Example 15: Analysis of surface and nanofiber distribution of PVDF-HFP polymer nanofibers using scanning electron microscopy FIGS. 6A and 6B are surface images and diameters of polymer fibers with 15 wt% polymer. FIG. Polymer nanofibers were produced by changing the polymer mass% at a supply voltage of 14 kV, a spinning distance of 15 cm, and a solution supply rate of 2 ml / h. As shown in FIGS. 6A and 6B, the obtained nanofibers were found to have the most uniform distribution with a diameter of 800 nm to 1000 nm.
実施例16:走査型電子顕微鏡法を使用してのAg含有PVDF−HFPポリマーナノ繊維の表面およびナノ繊維の分布の解析
図7A〜図7Lは、ポリマーに含有されるAgの量を0.3質量%〜10質量%の間で変更することによるポリマー繊維の表面画像である。供給電圧15kV〜20kV、紡糸間隔15cm〜20cm、および溶液供給率0.3ml/h〜2ml/hで、ポリマーに含有されるAgの質量%を変更することにより、ポリマーナノ繊維を製造した。図7A〜図7Lに示されるように、得られたナノ繊維は、直径200nm〜500nmで最も均一な分布を有することが明らかになった。
Example 16: Analysis of surface and nanofiber distribution of Ag-containing PVDF-HFP polymer nanofibers using scanning electron microscopy FIGS. 7A-7L show the amount of Ag contained in the polymer is 0.3. It is the surface image of the polymer fiber by changing between 10 mass% and 10 mass%. Polymer nanofibers were produced by changing the mass% of Ag contained in the polymer at a supply voltage of 15 kV to 20 kV, a spinning interval of 15 cm to 20 cm, and a solution supply rate of 0.3 ml / h to 2 ml / h. As shown in FIGS. 7A to 7L, the obtained nanofibers were found to have the most uniform distribution with a diameter of 200 nm to 500 nm.
実施例17:走査型電子顕微鏡法を使用しての無機ナノ充填材含有PVDF−HFPポリマーナノ繊維の表面およびナノ繊維の分布の解析
図8A〜図8Lは、無機ナノ充填材としてのAl2O3の量を10質量%〜40質量%の間で変更することによるポリマー繊維の表面画像である。供給電圧12kV、紡糸間隔15cm、および溶液供給率1.5ml/hで、無機ナノ充填材の質量%を変更することにより、ポリマーナノ繊維を製造した。図8A〜図8Lに示されるように、得られたナノ繊維は、40質量%のAl2O3を添加した場合に最良の繊維形態を有した。
Example 17: Analysis of Surface and Nanofiber Distribution of Inorganic Nanofiller-Containing PVDF-HFP Polymer Nanofibers Using Scanning Electron Microscopy FIGS. 8A-8L are Al 2 O as inorganic nanofillers. It is the surface image of the polymer fiber by changing the quantity of 3 between 10 mass%-40 mass%. Polymer nanofibers were produced by changing the mass% of the inorganic nanofiller at a supply voltage of 12 kV, a spinning interval of 15 cm, and a solution supply rate of 1.5 ml / h. As shown in FIGS. 8A-8L, the resulting nanofibers had the best fiber morphology when 40 wt% Al 2 O 3 was added.
図9A〜図9Lは、無機ナノ充填材としてのBaTiO3の量を10質量%〜40質量%の間で変更することによるポリマー繊維の表面画像である。供給電圧12kV、紡糸間隔15cm、および溶液供給率1.5ml/hで、無機ナノ充填材の質量%を変更することにより、ポリマーナノ繊維を製造した。図9A〜図9Lに示されるように、得られたナノ繊維は、凝集形を有し、直径500nm〜1000nmの直径で最も均一な分布を有することが示された。 9A to 9L are surface images of polymer fibers obtained by changing the amount of BaTiO 3 as an inorganic nanofiller between 10% by mass and 40% by mass. Polymer nanofibers were produced by changing the mass% of the inorganic nanofiller at a supply voltage of 12 kV, a spinning interval of 15 cm, and a solution supply rate of 1.5 ml / h. As shown in FIGS. 9A to 9L, the obtained nanofibers were shown to have an agglomerated shape and the most uniform distribution with diameters of 500 nm to 1000 nm.
実施例18:走査型電子顕微鏡法を使用してのPVAポリマーナノ繊維の表面およびナノ繊維の分布の解析
図10Aおよび図10Bは、PVAポリマー繊維の直径の表面画像および分布図である。画像のポリマー繊維をエレクトロスピニングした際、供給電圧は20kV、紡糸間隔は20cm、溶液供給率は0.6ml/hであった。図10Bに示されるように、得られたナノ繊維は、直径180nm〜200nmで最も均一な分布を有することが示された。
Example 18: Analysis of surface and nanofiber distribution of PVA polymer nanofibers using scanning electron microscopy FIGS. 10A and 10B are surface images and distribution maps of the diameter of PVA polymer fibers. When the image polymer fiber was electrospun, the supply voltage was 20 kV, the spinning interval was 20 cm, and the solution supply rate was 0.6 ml / h. As shown in FIG. 10B, the obtained nanofibers were shown to have the most uniform distribution with a diameter of 180 nm to 200 nm.
実施例19:走査型電子顕微鏡法を使用してのAg含有PVAポリマーナノ繊維の表面およびナノ繊維の分布の解析
図11は、Ag含有PVAポリマー繊維の表面画像である。画像のポリマー繊維をエレクトロスピニングした際、供給電圧は20kV、紡糸間隔は20cm、溶液供給率は0.6ml/hであった。Ag含有PVAポリマー繊維は、Agを含有しないポリマーと同様の範囲の直径を有した。AgはPVA繊維に含有されたが、元々の形態は変わらないことが明らかになった。
Example 19: Analysis of Ag-containing PVA polymer nanofiber surface and nanofiber distribution using scanning electron microscopy FIG. 11 is a surface image of an Ag-containing PVA polymer fiber. When the image polymer fiber was electrospun, the supply voltage was 20 kV, the spinning interval was 20 cm, and the solution supply rate was 0.6 ml / h. The Ag-containing PVA polymer fiber had a diameter in the same range as the polymer containing no Ag. Although Ag was contained in the PVA fiber, it was revealed that the original form was unchanged.
実施例20:走査型電子顕微鏡法を使用しての混合ポリマーナノ繊維の表面およびナノ繊維の分布の解析
図12A〜図12Cは、PVDF−HFPおよびポリスチレンの混合ポリマーナノ繊維の表面画像を示す。画像のポリマー繊維をエレクトロスピニングした際、供給電圧は20kV、紡糸間隔は21cm、溶液供給率は5.0ml/hであった。PVDF−HFPおよびポリスチレンの混合ポリマーナノ繊維の直径は、非混合PVDF−HFPナノ繊維よりも厚い約1000nmであり、ストランドの形状はでこぼこであった。
Example 20: Analysis of Mixed Polymer Nanofiber Surface and Nanofiber Distribution Using Scanning Electron Microscopy FIGS. 12A-12C show surface images of PVDF-HFP and polystyrene mixed polymer nanofibers. When the polymer fiber of the image was electrospun, the supply voltage was 20 kV, the spinning interval was 21 cm, and the solution supply rate was 5.0 ml / h. The diameter of the PVDF-HFP and polystyrene mixed polymer nanofibers was about 1000 nm thicker than the unmixed PVDF-HFP nanofibers, and the strand shape was bumpy.
図13A〜図13Cは、PVDF−HFPおよびPMMAの混合ポリマーナノ繊維の表面画像を示す。画像のポリマー繊維をエレクトロスピニングした際、供給電圧は20kV、紡糸間隔は21cm、溶液供給率は4.0ml/hであった。PVDF−HFPおよびPMMAの混合ポリマーナノ繊維の直径は、非混合PVDF−HFPナノ繊維と同様の範囲の直径約600nmを有し、両方のストランドの形状は略同様であった。 13A-13C show surface images of mixed polymer nanofibers of PVDF-HFP and PMMA. When the polymer fiber of the image was electrospun, the supply voltage was 20 kV, the spinning interval was 21 cm, and the solution supply rate was 4.0 ml / h. The diameter of the PVDF-HFP and PMMA mixed polymer nanofibers had a similar range of diameters of about 600 nm as the unmixed PVDF-HFP nanofibers, and the shape of both strands was substantially similar.
実施例21:電解質溶液の準備
テトラブチルアンモニウムヨウ化物0.2molと、ヨウ素0.05molと、1−プロピル−3−メチルイミダゾリウムヨウ化物0.3molとをエチレンカーボネート、ポリプロピレンカーボネート、およびアセトニトリル(体積比8:2:5)の溶媒内で混合することにより、電解質溶液を準備し、次に、24時間攪拌した。
Example 21: Preparation of electrolyte solution Tetrabutylammonium iodide 0.2 mol, iodine 0.05 mol and 1-propyl-3-methylimidazolium iodide 0.3 mol were mixed with ethylene carbonate, polypropylene carbonate, and acetonitrile (volume). An electrolyte solution was prepared by mixing in a solvent of ratio 8: 2: 5) and then stirred for 24 hours.
ポリビニルアルコール繊維を利用することにより準備した色素増感太陽電池の実施例では、テトラブチルアンモニウムヨウ化物0.02molと、ヨウ素0.08molと、1−プロピル−3−メチルイミダゾリウムヨウ化物0.03molとを、エチレンカーボネート、ポリプロピレンカーボネート、およびアセトニトリル(体積比8:2:5)の溶媒内で混合することにより、電解質溶液を準備し、次に、24時間攪拌した。 In an example of a dye-sensitized solar cell prepared by using polyvinyl alcohol fiber, 0.02 mol of tetrabutylammonium iodide, 0.08 mol of iodine, and 0.03 mol of 1-propyl-3-methylimidazolium iodide Were mixed in a solvent of ethylene carbonate, polypropylene carbonate, and acetonitrile (volume ratio 8: 2: 5) to prepare an electrolyte solution, and then stirred for 24 hours.
実施例22:ポリマーナノ繊維を使用しての電解質層の作成
実施例6〜実施例8に従って製造したポリマーナノ繊維を、実施例2の染料を吸収した酸化チタンの基板上に配置し、次に、微量ピペットを使用することにより、0.035molの電解質溶液を基板の上部に滴下した。その後、オーブン内で40℃〜50℃で2時間〜3時間乾燥させて、溶媒を蒸発させた。
Example 22: Creation of an electrolyte layer using polymer nanofibers Polymer nanofibers prepared according to Examples 6-8 were placed on a substrate of titanium oxide that had absorbed the dye of Example 2, and then By using a micropipette, 0.035 mol of electrolyte solution was dropped onto the top of the substrate. Then, it was dried at 40 ° C. to 50 ° C. for 2 hours to 3 hours in an oven to evaporate the solvent.
実施例23:Pt電極の作成
Pt前駆体を含有するペーストを使用して、透明色素増感太陽電池を作成した。Pt前駆体を含有するペーストは、ソラノニクス(Solaronix)(スイス)から市販されている。
Example 23: Preparation of Pt electrode A transparent dye-sensitized solar cell was prepared using a paste containing a Pt precursor. Pastes containing Pt precursors are commercially available from Solaronix (Switzerland).
室温から400℃の温度に上昇させたPt前駆体を含有するペーストを使用することにより、実施例1の酸化チタン層と同じようにして15mm×10mmサイズに切断されたFTOガラス基板上にPtを塗布した。アルファステップを使用することにより、得られたPt電極を測定した結果、厚さは約100nmと特定された。 By using a paste containing a Pt precursor raised from room temperature to 400 ° C., Pt was deposited on an FTO glass substrate cut into a size of 15 mm × 10 mm in the same manner as the titanium oxide layer of Example 1. Applied. Using the alpha step, the resulting Pt electrode was measured and the thickness was determined to be about 100 nm.
実施例24:固体型色素増感太陽電池素子の作成
実施例22に従った染料を吸収した酸化チタン層上に塗布されたポリマー繊維および電解質を含む電極基板と、実施例23に従って作成したPt電極基板との素子接合により、色素増感太陽電池素子を作成した。
Example 24 Production of Solid Type Dye-Sensitized Solar Cell Element Electrode Substrate Containing Polymer Fiber and Electrolyte Coated on Titanium Oxide Layer Absorbing Dye According to Example 22 and Pt Electrode Prepared According to Example 23 A dye-sensitized solar cell element was prepared by element bonding with the substrate.
実施例25:色素増感太陽電池素子の電気光学性質の測定
実施例24に従って製造された色素増感太陽電池の電気光学性質。実施例22によるポリマー繊維を含有する電解質を有する色素増感太陽電池の電圧−電流密度を標準条件(AM1.5、100mW/cm2、25℃)で、太陽シミュレータ(PEC−L11、PECCELL)を使用することにより測定した。150Wキセノンランプおよびキースレイ(Keithley)を取り付け、標準シリコン電池を使用することにより、太陽シミュレータを変更した。
Example 25: Measurement of electro-optical properties of dye-sensitized solar cell element Electro-optical properties of a dye-sensitized solar cell produced according to Example 24. The voltage-current density of the dye-sensitized solar cell having the electrolyte containing the polymer fiber according to Example 22 was measured under the standard conditions (AM1.5, 100 mW / cm 2 , 25 ° C.), and the solar simulator (PEC-L11, PECCELL) was used. Measured by use. The solar simulator was modified by installing a 150W xenon lamp and Keithley and using a standard silicon battery.
電気光学性質の結果
色素増感太陽電池素子の電気光学性質の測定結果による電流および電圧グラフのそれぞれを図14〜図19に示す。
図14は、実施例9に従って製造したナノ規模の直径を有するPVDF−HFP繊維を使用しての100mW/cm2の照明状態での色素増感太陽電池素子の電圧−電流密度を示すグラフである。図14によれば、電流密度は、界面接合層および散乱層を導入した場合に増大した。
図15は、実施例9に従って製造したナノ規模の直径を有するPVDF−HFP繊維を使用する暗状態での色素増感太陽電池素子の電圧−電流密度を示すグラフである。界面接合層および散乱層が導入された場合、これら2つの層がTiO2層および電極層の再結合を阻止するため、電圧が増大することが明らかになった。
Results of electro-optical properties FIGS. 14 to 19 show current and voltage graphs based on the measurement results of the electro-optical properties of the dye-sensitized solar cell element, respectively.
FIG. 14 is a graph showing the voltage-current density of a dye-sensitized solar cell element at 100 mW / cm 2 illumination condition using a PVDF-HFP fiber having a nanoscale diameter produced according to Example 9. . According to FIG. 14, the current density increased when the interface bonding layer and the scattering layer were introduced.
FIG. 15 is a graph showing the voltage-current density of a dye-sensitized solar cell element in the dark state using PVDF-HFP fibers having a nano-scale diameter manufactured according to Example 9. It was found that when the interface bonding layer and the scattering layer were introduced, the voltage increased because these two layers prevented recombination of the TiO 2 layer and the electrode layer.
表1は、供給電圧が14kV、紡糸間隔が15cm、溶液供給速度が2ml/h、ポリマーの質量%を変更させた条件で製造したPVDF−HFPポリマー繊維を追加することにより作成した色素増感太陽電池素子の性質を示す。界面接合層および散乱層を導入する場合に、電流密度が大幅に増大する一方で、開路電圧および曲線因子はあまり変動しないことが明らかになった。したがって、総合的なエネルギー変換効率は60%向上し、8.58%という高い効率を有する色素増感太陽電池を製造することができた。 Table 1 shows the dye-sensitized solar prepared by adding PVDF-HFP polymer fibers manufactured under the conditions that the supply voltage is 14 kV, the spinning interval is 15 cm, the solution supply speed is 2 ml / h, and the polymer mass% is changed. The property of a battery element is shown. It was found that when the interface junction layer and the scattering layer were introduced, the current density increased significantly while the open circuit voltage and fill factor did not vary much. Therefore, the overall energy conversion efficiency was improved by 60%, and a dye-sensitized solar cell having a high efficiency of 8.58% could be manufactured.
[表1]
界面接合層および散乱層が導入された無機酸化物層内にPVDF−HFPポリマーナノ繊維を使用する色素増感太陽電池素子の光起電性能の比較
[Table 1]
Comparison of photovoltaic performance of dye-sensitized solar cell elements using PVDF-HFP polymer nanofibers in inorganic oxide layer with interfacial bonding layer and scattering layer introduced
表2は、供給電圧が8kV〜20kV、紡糸間隔が13cm〜21cm、要求供給速度が0.2ml/h〜2ml/h、ポリマーに対するAgの質量%を変更させた条件で製造したAg含有PVDF−HFPポリマー繊維を追加することにより作成された色素増感太陽電池素子の性質を示す。1/100質量%のAgを添加した場合、電流密度が大幅に増大することが明らかになった。 Table 2 shows that an Ag-containing PVDF-manufactured under conditions in which the supply voltage is 8 kV to 20 kV, the spinning interval is 13 cm to 21 cm, the required supply rate is 0.2 ml / h to 2 ml / h, and the mass% of Ag to the polymer is changed The property of the dye-sensitized solar cell element produced by adding HFP polymer fiber is shown. When 1/100 mass% Ag was added, it became clear that a current density increased significantly.
[表2]
Ag含有PVDF−HFPポリマーナノ繊維を使用する色素増感太陽電池素子の光起電性能の比較
[Table 2]
Comparison of photovoltaic performance of dye-sensitized solar cell elements using Ag-containing PVDF-HFP polymer nanofibers
図16は、実施例11に従って製造したナノ規模の直径を有するPVDF−HFP繊維を使用する100mW/cm2の照明状態での色素増感太陽電池素子の電圧−電流密度を示すグラフであり、PVDF−HFPは、無機ナノ充填材としてAl2O3を含有する。 FIG. 16 is a graph showing the voltage-current density of a dye-sensitized solar cell element in a 100 mW / cm 2 illumination state using a PVDF-HFP fiber having a nanoscale diameter produced according to Example 11; -HFP is containing Al 2 O 3 as the inorganic nanofiller.
表3は、供給電圧が12kV〜15kV、紡糸間隔が15cm〜18cm、溶液供給速度が1.5ml/h、無機ナノ充填材としてのAl2O3のポリマーに対する質量%を変更させた条件で、製造された無機ナノ充填材含有PVDF−HFPポリマーナノ繊維を追加することにより作成した色素増感太陽電池素子の性質を示す。
図16および表3によれば、短絡回路電流は、PVDF−HFPに添加されたAl2O3の含有が、20質量%〜30質量%である場合に最大値を有し、エネルギー変換効率は30質量%の場合に最大値を有する。
Table 3 is a condition in which the supply voltage is 12 kV to 15 kV, the spinning interval is 15 cm to 18 cm, the solution supply rate is 1.5 ml / h, and the mass% of the polymer of Al 2 O 3 as the inorganic nanofiller is changed. The property of the dye-sensitized solar cell element produced by adding the manufactured inorganic nanofiller containing PVDF-HFP polymer nanofiber is shown.
According to FIG. 16 and Table 3, the short circuit current has a maximum value when the content of Al 2 O 3 added to PVDF-HFP is 20% by mass to 30% by mass, and the energy conversion efficiency is It has a maximum value in the case of 30% by mass.
図17は、実施例11に従って製造したナノ規模の直径を有するPVDF−HFP繊維を使用する、100mW/cm2の照明状態での色素増感太陽電池素子の電圧−電流密度を示すグラフであり、PVDF−HFPは無機ナノ充填材としてBaTiO3を含有する。 FIG. 17 is a graph showing the voltage-current density of a dye-sensitized solar cell element using a PVDF-HFP fiber having a nanoscale diameter produced according to Example 11 in an illumination state of 100 mW / cm 2 ; PVDF-HFP contains BaTiO 3 as an inorganic nanofiller.
[表3]
無機ナノ充填材としてAl2O3を含有するPVDF−HFPポリマーナノ繊維を使用する色素増感太陽電池素子の光起電性能の比較
[Table 3]
Comparison of photovoltaic performances of the dye-sensitized solar cell element using the PVDF-HFP polymer nanofiber containing Al 2 O 3 as the inorganic nanofiller
表4は、Al2O3に代えてBaTiO3を使用した場合の表3と同じ条件で作成した色素増感太陽電池素子の性質を示す。
図17および表4によれば、電流密度およびエネルギー変換効率は、PVDF−HFPに添加されるBaTiO3の含有量が20質量%である場合に最大値を有する。
Table 4 shows the properties of the dye-sensitized solar cell element prepared under the same conditions as in Table 3 when BaTiO 3 is used instead of Al 2 O 3 .
According to FIG. 17 and Table 4, the current density and the energy conversion efficiency have maximum values when the content of BaTiO 3 added to PVDF-HFP is 20 mass%.
[表4]
無機ナノ充填材としてBaTiO3を含有するPVDF−HFPポリマーナノ繊維を使用する色素増感太陽電池素子の光起電性能の比較
[Table 4]
Comparison of photovoltaic performance of dye-sensitized solar cell elements using PVDF-HFP polymer nanofibers containing BaTiO 3 as inorganic nanofillers
表2〜表4によれば、電流密度およびエネルギー変換効率は、無機ナノ充填材としてAg、Al2O3、またはBaTiO3を含有する繊維を色素増感太陽電池に挿入し、電解質内で溶融させた場合、それら構成要素を含まない繊維を有する色素増感太陽電池と比較してより大きく向上した。 According to Tables 2 to 4, the current density and energy conversion efficiency were determined by inserting fibers containing Ag, Al 2 O 3 , or BaTiO 3 as inorganic nanofillers into a dye-sensitized solar cell and melting in the electrolyte. When it was made, it improved largely compared with the dye-sensitized solar cell which has the fiber which does not contain those components.
図18は、実施例12に従って製造したナノ規模の直径を有するPVA繊維を使用する、100mW/cm2の照明状態での色素増感太陽電池の電圧−電流密度を示すグラフである。図18によれば、界面接合層および散乱層が導入された場合に電圧が増大することも明らかにすることができた。
図19は、実施例12に従って製造したナノ規模の直径を有するPVA繊維を使用する、暗状態での色素増感太陽電池素子の電圧−電流密度を示すグラフである。界面接合層および散乱層を導入した場合、これら2つの層がTiO2層と電極層との再結合を阻止するため、電圧が増大することが明らかになった。
FIG. 18 is a graph showing the voltage-current density of a dye-sensitized solar cell using a PVA fiber having a nanoscale diameter produced according to Example 12 and in an illumination state of 100 mW / cm 2 . As can be seen from FIG. 18, the voltage increases when the interface bonding layer and the scattering layer are introduced.
FIG. 19 is a graph showing the voltage-current density of a dye-sensitized solar cell element in the dark state using a PVA fiber having a nanoscale diameter produced according to Example 12. When the interface bonding layer and the scattering layer were introduced, it became clear that these two layers prevented recombination between the TiO 2 layer and the electrode layer, and thus the voltage increased.
表5は、供給電圧が20kV、紡糸間隔が20cm、溶液供給速度が0.6ml/h、ポリマーの質量%を変更させた条件で製造されたPVAポリマー繊維を追加することにより作成した色素増感太陽電池素子の性質を示す。表5によれば、界面接合層および散乱層が導入された場合、電流密度は大幅に増大し、その一方で、開路電圧および曲線因子はあまり変動しなかった。したがって、総合的なエネルギー変換効率を特定した場合、7.36%という高い効率を有する色素増感太陽電池を製造することができる。 Table 5 shows dye sensitization prepared by adding PVA polymer fibers manufactured under the conditions that the supply voltage was 20 kV, the spinning interval was 20 cm, the solution supply rate was 0.6 ml / h, and the polymer mass% was changed. The property of a solar cell element is shown. According to Table 5, the current density increased significantly when the interfacial bonding layer and the scattering layer were introduced, while the open circuit voltage and fill factor did not vary much. Therefore, when the total energy conversion efficiency is specified, a dye-sensitized solar cell having a high efficiency of 7.36% can be manufactured.
[表5]
界面接合層および散乱層が導入された無機酸化物層内にPVAポリマーナノ繊維を
使用する色素増感太陽電池素子の光起電性能の比較
[Table 5]
Comparison of photovoltaic performance of dye-sensitized solar cell elements using PVA polymer nanofibers in inorganic oxide layer with interfacial bonding layer and scattering layer introduced
図20は、実施例13に従って製造したナノ規模の直径を有するPVA繊維を使用する、100mW/cm2の照明状態での色素増感太陽電池素子の電圧−電流密度を示すグラフであり、PVAはAgを含有する。 FIG. 20 is a graph showing the voltage-current density of a dye-sensitized solar cell element in an illumination state of 100 mW / cm 2 using a PVA fiber having a nanoscale diameter produced according to Example 13, where PVA is Contains Ag.
表6は、PVAの製造と同じ条件で製造したAg−PVA繊維を追加することにより作成した色素増感太陽電池素子の性質を示す。表6によれば、エネルギー変換効率は、AgをPVA繊維に添加することにより8.12%に向上した。 Table 6 shows the property of the dye-sensitized solar cell element prepared by adding Ag-PVA fiber manufactured on the same conditions as manufacture of PVA. According to Table 6, the energy conversion efficiency was improved to 8.12% by adding Ag to the PVA fiber.
[表6]
界面接合層および散乱層が導入された無機酸化物層内にポリマーナノ繊維(Ag−PVA)を使用する色素増感太陽電池素子の光起電性能の比較
[Table 6]
Comparison of photovoltaic performance of dye-sensitized solar cell elements using polymer nanofibers (Ag-PVA) in an inorganic oxide layer with an interface bonding layer and a scattering layer introduced
PVA繊維を使用する実験では、電流密度は、Ag含有繊維を色素増感太陽電池に挿入し、電解質内で溶融させた場合(表6)場合、Agを含有しない繊維を有する色素増感太陽電池(表5)と比較してより大きく向上した。これは、Agが、電解質内のイオンの移動を助ける媒体として機能し、それにより、TiO2、電解質、およびPt電極間のイオン伝導性が増大した結果である。 In experiments using PVA fibers, the current density was measured when the Ag-containing fibers were inserted into a dye-sensitized solar cell and melted in the electrolyte (Table 6). Compared with (Table 5), it was greatly improved. This is a result of Ag functioning as a medium to help move ions within the electrolyte, thereby increasing ionic conductivity between the TiO 2 , electrolyte, and Pt electrodes.
表7は、供給電圧が20kV、紡糸間隔が21cm、溶液供給速度が5.0ml/hという条件で製造したPVDF−HFPとポリスチレンの混合ポリマー繊維を追加することにより作成した色素増感太陽電池素子および供給電圧が20kV、紡糸間隔が20cm、溶液供給速度が4.0ml/hという条件で製造したPVDF−HFPとPMMAとの混合ポリマー繊維を追加することにより作成した色素増感太陽電池素子の性質を示す。 Table 7 shows a dye-sensitized solar cell element prepared by adding a PVDF-HFP / polystyrene mixed polymer fiber manufactured under the conditions of a supply voltage of 20 kV, a spinning interval of 21 cm, and a solution supply speed of 5.0 ml / h. Of a dye-sensitized solar cell element prepared by adding a mixed polymer fiber of PVDF-HFP and PMMA manufactured under the conditions of a supply voltage of 20 kV, a spinning interval of 20 cm, and a solution supply rate of 4.0 ml / h Indicates.
[表7]
ポリスチレンおよびPMMAのそれぞれとの混合ポリマーPVDF−HFPを使用する色素増感太陽電池素子の光起電性能の比較
[Table 7]
Comparison of photovoltaic performance of dye-sensitized solar cell elements using mixed polymer PVDF-HFP with polystyrene and PMMA respectively
実施例26:色素増感太陽電池素子のインピーダンスの測定
実施例15に従って製造した色素増感太陽電池素子のインピーダンスを測定することにより、各界面での抵抗を測定した。図21〜図27は、イーケムアナリスト(Echem Analyst)(ガムリー(GAMRY))を使用して値を測定、Z−MANソフトウェアにフィッティングすることから得られるインピーダンスのデータを示すグラフである。
Example 26: Measurement of impedance of dye-sensitized solar cell element The resistance at each interface was measured by measuring the impedance of the dye-sensitized solar cell element produced according to Example 15. FIGS. 21-27 are graphs showing impedance data obtained by measuring values using an Echem Analyst (GAMRY) and fitting to Z-MAN software.
図21は、無機酸化物層に導入された界面接合層および光散乱層を有する色素増感太陽電池素子およびこれら2層を有さない素子のインピーダンスのボーデ線図である。図のピークは低周波数に近い位置にあるため、電荷はより高速に移動し、電子の寿命はより長い。界面接合層および光散乱層が導入された場合、図のピークが低周波数近くによりシフトされるため、電荷の高速移動は、界高い電流密度およびエネルギー変換効率が提供されるように、面接合層および光散乱層を導入することにより誘発される。 FIG. 21 is a Bode diagram of the impedance of a dye-sensitized solar cell element having an interface bonding layer and a light scattering layer introduced into an inorganic oxide layer and an element not having these two layers. Since the peak in the figure is near the low frequency, the charge moves faster and the lifetime of the electrons is longer. When interfacial bonding layers and light scattering layers are introduced, the peak of the figure is shifted closer to low frequencies, so that the fast movement of charge provides a high field density and energy conversion efficiency, so that the surface bonding layer And by introducing a light scattering layer.
表8および表9は、界面接合層および光散乱層を無機酸化物層に導入した後、エレクトロスピニング法によりPVDF−HFPナノ繊維およびPVAナノ繊維を使用して作成した色素増感太陽電池素子およびスピンコート法によるポリマー薄膜を使用して作成した色素増感太陽電池素子の抵抗を測定した結果を示す。Rsは太陽電池素子の直列抵抗であり、R1CTは、界面接合層I(1004)を含む無機酸化物層(1003)と光散乱層(1005)との間の抵抗であり、R2CTは、界面接合層II(1006)を含む光散乱層(1005)とポリマー電解質層(1008)との間の抵抗であり、R3CTは、ポリマー電解質層(1008)と第2の電極(1009)との間の抵抗である。R1CT、R2CT、およびR3CTの間に大きな差はないが、R2CTの値によれば、ポリマーナノ繊維を使用して作成した色素増感太陽電池素子の抵抗がより低かった。したがって、光散乱層と電解質層との間の抵抗が低いことにより、光起電性能として高い電流密度が得られる。 Tables 8 and 9 show a dye-sensitized solar cell element prepared using PVDF-HFP nanofibers and PVA nanofibers by electrospinning after introducing an interface bonding layer and a light scattering layer into the inorganic oxide layer, and The result of having measured the resistance of the dye-sensitized solar cell element produced using the polymer thin film by a spin coat method is shown. Rs is the series resistance of the solar cell element, R1 CT is the resistance between the inorganic oxide layer (1003) including the interface bonding layer I (1004) and the light scattering layer (1005), and R2 CT is The resistance between the light scattering layer (1005) including the interface bonding layer II (1006) and the polymer electrolyte layer (1008), and R3 CT is the resistance between the polymer electrolyte layer (1008) and the second electrode (1009). Resistance between. Although there is no significant difference between R 1CT , R2 CT , and R3 CT , the value of R2 CT indicated that the resistance of the dye-sensitized solar cell element made using polymer nanofibers was lower. Therefore, a low current resistance between the light scattering layer and the electrolyte layer provides a high current density as photovoltaic performance.
図22および図24はインピーダンスのボーデ線図であり、図23および図25はナイキスト線図である。ボーデ線図のピークは、低周波数領域内の同じ周波数にあるため、電荷の移動に大きな差はない。図のより大きく高い半円は、電子とドープされた正孔との多くの再結合があることを意味する。ポリマー薄膜がスピンコート法により使用される場合、高周波数領域での図の半円はより大きく、それにより、より多くの再結合が行われる。したがって、光起電性能として高低の抵抗が得られる。 22 and 24 are impedance Bode diagrams, and FIGS. 23 and 25 are Nyquist diagrams. Since the Bode diagram peaks are at the same frequency in the low frequency region, there is no significant difference in charge transfer. The larger and higher semicircle in the figure means that there are many recombination of electrons and doped holes. When polymer thin films are used by spin coating, the semicircle in the figure in the high frequency region is larger, thereby causing more recombination. Therefore, high and low resistance can be obtained as photovoltaic performance.
図26は、実施例によるナノ規模の直径を有するAg含有PVA繊維を使用して作成された色素増感太陽電池素子のインピーダンスのボーデ線図の比較である。2つの図のピークは同じ周波数にあるため、電荷の移動に大きな差はない。図27は、実施例によるナノ規模の直径を有するAg含有PVA繊維を使用して作成した色素増感太陽電池素子のインピーダンスのナイキスト線図の比較である。しかし、2つの図の曲線を同様のパターンを示したため、PVAの界面抵抗は、Ag−PVAよりも小さく、一般に、低い抵抗を示した。 FIG. 26 is a comparison of impedance Bode plots of dye-sensitized solar cell elements made using Ag-containing PVA fibers with nanoscale diameters according to the examples. Since the peaks in the two figures are at the same frequency, there is no significant difference in charge transfer. FIG. 27 is a comparison of impedance Nyquist diagrams for dye-sensitized solar cell elements made using Ag-containing PVA fibers with nanoscale diameters according to the examples. However, because the curves in the two figures showed similar patterns, the interfacial resistance of PVA was lower than that of Ag-PVA and generally showed a lower resistance.
[表8]
エレクトロスピニング法によりPVDF−HFPナノ繊維を使用して作成した色素増感太陽電池素子およびスピンコート法によりPVDF−HFPポリマー薄膜を使用して作成した色素増感太陽電池素子のインピーダンスの測定からの抵抗レベル
[Table 8]
Resistance from measurement of impedance of dye-sensitized solar cell element made using PVDF-HFP nanofibers by electrospinning method and dye-sensitized solar cell element made using PVDF-HFP polymer thin film by spin coating method level
[表9]
エレクトロスピニング法によりPVAナノ繊維を使用して作成した色素増感太陽電池素子およびスピンコート法によりPVAポリマー薄膜を使用して作成した色素増感太陽電池素子のインピーダンスの測定からの抵抗レベル
[Table 9]
Resistance levels from measurement of impedance of dye-sensitized solar cell elements prepared using PVA nanofibers by electrospinning method and dye-sensitized solar cell elements prepared using PVA polymer thin film by spin coating method
上述したように、Ag含有繊維を利用することにより作成した色素増感太陽電池は、界面間のイオンの伝導性の増大により、増大した電流密度を有した。これは、インピーダンスの解析から確認することができる。太陽電池素子の一連の抵抗間に大きな差はないが、Ag含有ナノ繊維を使用して作成した太陽電池のR1CT、R2CT、およびR3CTの値は、低下した。したがって、Ag含有ナノ繊維を使用して作成した太陽電池の界面間の抵抗が低下したことが分かった。 As described above, the dye-sensitized solar cell prepared by using the Ag-containing fiber has an increased current density due to an increase in ion conductivity between the interfaces. This can be confirmed from an impedance analysis. Although there is no significant difference between the series of resistances of the solar cell elements, the values of R1 CT , R2 CT , and R3 CT for solar cells made using Ag-containing nanofibers decreased. Therefore, it turned out that the resistance between the interfaces of the solar cell produced using Ag containing nanofiber fell.
図28は、実施例によりナノ規模の直径を有するPVDF繊維を使用して作成した色素増感太陽電池素子のインピーダンスのボーデ線図の比較であり、PVDFは無機ナノ充填材としてAl2O3を含有する。2つの図のピークは同様の周波数にあるため、電荷の移動に大きな差はない。図29は、実施例によりナノ規模の直径を有するPVDF繊維を使用して作成した色素増感太陽電池素子のインピーダンスのナイキスト線図の比較であり、PVDFは無機ナノ充填材としてAl2O3を含有する。無機ナノ充填材Al2O3を含むPVDF−HFP繊維の図は、無機ナノ充填材Al2O3を含まない繊維よりも小さな半円を有し、それにより、無機ナノ充填材Al2O3の導入は、再結合を阻止することが明らかになった。 FIG. 28 is a comparison of the impedance Bode plots of dye-sensitized solar cell elements made using PVDF fibers having nanoscale diameters according to the examples. PVDF uses Al 2 O 3 as an inorganic nanofiller. contains. Since the peaks in the two figures are at similar frequencies, there is no significant difference in charge transfer. FIG. 29 is a comparison of the Nyquist diagram of the impedance of a dye-sensitized solar cell element made using PVDF fibers having a nanoscale diameter according to an example. PVDF uses Al 2 O 3 as an inorganic nanofiller. contains. Figure of PVDF-HFP fibers containing inorganic nanofillers Al 2 O 3 has a smaller semicircular than fibers not containing inorganic nanofillers Al 2 O 3, whereby the inorganic nanofiller Al 2 O 3 The introduction of has been shown to prevent recombination.
[表10]
無機ナノ充填材としてAl2O3を含む、エレクトロスピニング法によるPVDF−HFPナノ繊維を使用して作成した色素増感太陽電池のインピーダンスの測定からの抵抗レベル
[Table 10]
As the inorganic nanofiller containing Al 2 O 3, the resistance level from the measurement of the impedance of the dye-sensitized solar cell prepared using the PVDF-HFP nanofiber by electrospinning method
実施例27:エレクトロスピニング法により作成したPVDF−HFPポリマーナノ繊維の電解質耐久性テスト
PVDF−HFPをエレクトロスピニングすることにより、ポリマー繊維を準備し、次に、生成されたポリマー繊維をガラス基板の間に導入し、電解質も導入する。耐久性テストを行った。
図30の(A)は、ポリマー繊維を導入せずにガラス基板が接合され、次に、電解質のみが導入された後の画像である。図30の(A−1)は、繊維が導入され、ガラス基板が接合され、次に、電解質が導入された後の画像である。ガラス基板を通して直径1mmの穴を開けた後、その穴を通して電解質を導入し、穴を充填せずに48時間観察した。
図30の(B)は、ガラス基板を接合し、次に、電解質のみを導入してから12時間後の画像である。図30の(B−1)は、繊維が導入され、ガラス基板が接合され、次に、電解質が導入されてから12時間後の画像である。
図30の(C)は、ガラス基板を接合し、次に、電解質のみを導入してから36時間後の画像である。図30の(C−1)は、繊維が導入され、ガラス基板が接合され、次に、電解質が導入されてから36時間後の画像である。
図30の(D)は、ガラス基板を接合し、次に、電解質のみを導入してから48時間後の画像である。図30の(D−1)は、繊維が導入され、ガラス基板が接合され、次に、電解質が導入されてから48時間後の画像である。48時間後の画像を比較すると、電解質のみが導入された図30の(D)の電解質の量は、蒸発により少なくなっている一方で、繊維および電解質が導入された図30の(D)の電解質の蒸発は殆どなく、電解質はガラス基板内に保持されている。ポリマーナノ繊維がガラス基板内に電解質を安定して保持可能なことが示される。図30の(E)は、48時間後に繊維が電解質内に保持されているか否かをチェックするためにガラス基板が除去された写真である。48時間が経過しても、繊維が溶融または散乱せずに保持されていることが分かる。
Example 27: Electrolyte Durability Test of PVDF-HFP Polymer Nanofibers Made by Electrospinning Method A polymer fiber was prepared by electrospinning PVDF-HFP, and then the resulting polymer fiber was placed between glass substrates. The electrolyte is also introduced. A durability test was performed.
FIG. 30A is an image after the glass substrate is bonded without introducing the polymer fiber and then only the electrolyte is introduced. (A-1) in FIG. 30 is an image after the fibers are introduced, the glass substrate is joined, and then the electrolyte is introduced. After making a hole with a diameter of 1 mm through the glass substrate, an electrolyte was introduced through the hole and observed for 48 hours without filling the hole.
FIG. 30B is an
FIG. 30C is an
FIG. 30D is an
比較例1:電解質基材としてスピンコートされたPVDF−HFPポリマーを使用する色素増感太陽電池の光起電性能
ポリマーPVDF−HFPを使用してスピンコート法により、ポリマー薄膜を準備し、次に、生成された薄膜を色素増感太陽電池内に導入し、その後、素子の光起電性能を測定する。
Comparative Example 1: Photovoltaic performance of a dye-sensitized solar cell using a spin-coated PVDF-HFP polymer as an electrolyte substrate A polymer thin film was prepared by spin coating using a polymer PVDF-HFP, and then The resulting thin film is introduced into a dye-sensitized solar cell, and then the photovoltaic performance of the device is measured.
電解質溶液を準備して、ポリマーナノ繊維の代わりにスピンコート法によるポリマー薄膜を使用すること除き、実施例と同じ進行および条件に従って色素増感太陽電池を作成する。スピンコート法によるポリマー薄膜を含む色素増感太陽電池に関して、実施例25と同じ条件の電圧に従って電流密度を測定した。比較例1による色素増感太陽電池の電圧−電流密度の測定を図31に示し、表11は、開路電圧、短絡回路電流、曲線因子、エネルギー変換効率を示した。 A dye-sensitized solar cell is prepared according to the same process and conditions as in the Examples except that an electrolyte solution is prepared and a polymer thin film by spin coating is used instead of polymer nanofibers. Regarding the dye-sensitized solar cell including the polymer thin film by the spin coating method, the current density was measured according to the voltage under the same conditions as in Example 25. The measurement of the voltage-current density of the dye-sensitized solar cell according to Comparative Example 1 is shown in FIG. 31, and Table 11 shows the open circuit voltage, the short circuit current, the fill factor, and the energy conversion efficiency.
比較例1による色素増感太陽電池では、電極のバンドキャップエネルギー差により特定される開路電圧は、ポリマーナノ繊維が含まれる実施例9と同様である。しかし、典型的なポリマー繊維を含む素子の場合、短絡回路電流の値はより低かった。これは、ポリマーナノ繊維内の多くの孔により、イオン移動度がより高いためであると考えられる。比較例1のエネルギー変換効率も、ポリマーナノ繊維を含む素子と比較して低い傾向を有する。 In the dye-sensitized solar cell according to Comparative Example 1, the open circuit voltage specified by the difference in the band cap energy of the electrodes is the same as in Example 9 in which the polymer nanofibers are included. However, for devices containing typical polymer fibers, the value of the short circuit current was lower. This is thought to be due to the higher ion mobility due to the many pores in the polymer nanofibers. The energy conversion efficiency of Comparative Example 1 also has a tendency to be lower than that of a device including polymer nanofibers.
[表11]
電解質基材としてスピンコートされたPVDF−HFPポリマーを使用する色素増感太陽電池の光起電性能
[Table 11]
Photovoltaic performance of dye-sensitized solar cells using PVDF-HFP polymer spin coated as electrolyte substrate
比較例2:電解質基材としてスピンコートされたPVAポリマーを使用する色素増感太陽電池の光起電性能
実施例6において使用されるPVAポリマーを使用してスピンコート法により、ポリマー薄膜を準備し、次に、生成された薄膜を色素増感太陽電池に導入し、その後、素子の光起電性能を測定する。
電解質溶液を準備して、ポリマーナノ繊維の代わりにスピンコート法によるポリマー薄膜を使用すること除き、実施例と同じ進行および条件に従って色素増感太陽電池を作成する。スピンコート法によるポリマー薄膜を含む色素増感太陽電池に関して、実施例25と同じ条件の電圧に従って電流密度を測定した。比較例2による色素増感太陽電池の電圧−電流密度の測定を図32に示し、表12は、開路電圧、短絡回路電流、曲線因子、エネルギー変換効率を示した。
Comparative Example 2: Photovoltaic performance of a dye-sensitized solar cell using a spin-coated PVA polymer as an electrolyte substrate A polymer thin film was prepared by spin coating using the PVA polymer used in Example 6 Next, the produced thin film is introduced into a dye-sensitized solar cell, and then the photovoltaic performance of the device is measured.
A dye-sensitized solar cell is prepared according to the same process and conditions as in the Examples except that an electrolyte solution is prepared and a polymer thin film by spin coating is used instead of polymer nanofibers. Regarding the dye-sensitized solar cell including the polymer thin film by the spin coating method, the current density was measured according to the voltage under the same conditions as in Example 25. The measurement of the voltage-current density of the dye-sensitized solar cell according to Comparative Example 2 is shown in FIG. 32, and Table 12 shows the open circuit voltage, the short circuit current, the fill factor, and the energy conversion efficiency.
比較例2による色素増感太陽電池では、電極のバンドキャップエネルギー差により特定される開路電圧は、ポリマーナノ繊維が含まれる実施例15と同様である。しかし、典型的なポリマー繊維を含む素子の場合、短絡回路電流の値はより低かった。これは、ポリマーナノ繊維内の多くの孔により、イオン移動度がより高いためであると考えられる。比較例2のエネルギー変換効率も、ポリマーナノ繊維を含む素子と比較して低い傾向を有する。 In the dye-sensitized solar cell according to Comparative Example 2, the open circuit voltage specified by the difference in the band cap energy of the electrode is the same as that of Example 15 in which the polymer nanofiber is included. However, for devices containing typical polymer fibers, the value of the short circuit current was lower. This is thought to be due to the higher ion mobility due to the many pores in the polymer nanofibers. The energy conversion efficiency of Comparative Example 2 also has a tendency to be lower than that of a device including polymer nanofibers.
[表12]
電解質基材としてスピンコートされたPVAポリマーを使用する色素増感太陽電池の光起電性能
[Table 12]
Photovoltaic performance of dye-sensitized solar cells using spin-coated PVA polymer as electrolyte substrate
比較例3:液体電解質を使用する色素増感太陽電池の光起電性能
ポリマー繊維のない色素増感太陽電池のエネルギー変換効率を見つけて比較するために、液体電解質のみが導入された色素増感太陽電池を準備する。
実施例25と同じ条件で決定される電圧に従って、電流密度を測定する。比較例3による色素増感太陽電池の電圧−電流密度の測定を図33に示し、表13は、開路電圧、短絡回路電流、曲線因子、エネルギー変換効率を示す。
表14は、比較例3によるインピーダンス値を示す。表14によれば、全体のインピーダンス値が低減する。したがって、ナノ繊維により内部抵抗が増大するため、ナノ繊維なしで電解質のみを使用する場合、全体の抵抗が低減することが分かる。
Comparative Example 3: Photovoltaic Performance of Dye-Sensitized Solar Cell Using Liquid Electrolyte Dye-sensitized with only liquid electrolyte introduced to find and compare the energy conversion efficiency of dye-sensitized solar cells without polymer fibers Prepare solar cells.
The current density is measured according to the voltage determined under the same conditions as in Example 25. FIG. 33 shows the measurement of the voltage-current density of the dye-sensitized solar cell according to Comparative Example 3, and Table 13 shows the open circuit voltage, the short circuit current, the fill factor, and the energy conversion efficiency.
Table 14 shows impedance values according to Comparative Example 3. According to Table 14, the overall impedance value is reduced. Therefore, it can be seen that the internal resistance is increased by the nanofibers, and therefore, when only the electrolyte is used without the nanofibers, the overall resistance is reduced.
[表13]
液体電解質を使用する色素増感太陽電池の光起電性能
[Table 13]
Photovoltaic performance of dye-sensitized solar cells using liquid electrolytes
[表14]
液体電解質を使用する色素増感太陽電池のインピーダンスの測定
[Table 14]
Measuring the impedance of dye-sensitized solar cells using liquid electrolytes
例示的にすぎない好ましい実施例について説明し、本発明の様々な変更および変形を実施し得る。しかし、そのような変更および変形が、本発明の添付の特許請求の範囲から逸脱せずに本発明の範囲内に包含されることが明らかである。 A preferred embodiment, which is exemplary only, will be described and various modifications and variations of the invention may be implemented. However, it will be apparent that such changes and modifications are encompassed within the scope of the invention without departing from the scope of the appended claims of the invention.
1001:第1の基板
1002:第1の電極
1003:無機酸化物層
1004:界面接合層I
1005:光散乱層
1006:界面接合層II
1007:染料層
1008:ポリマー電解質層
1009:第2の電極
1010:第2の基板
2001:電圧供給源
2002:溶液トランスポータ
2003:エレクトロスピナ
2004:コレクタ
1001: first substrate 1002: first electrode 1003: inorganic oxide layer 1004: interface bonding layer I
1005: Light scattering layer 1006: Interfacial bonding layer II
1007: Dye layer 1008: Polymer electrolyte layer 1009: Second electrode 1010: Second substrate 2001: Voltage supply source 2002: Solution transporter 2003: Electrospinner 2004: Collector
Claims (21)
前記第1の基板と前記第2の基板との間に配置された第1の電極であって、無機酸化物層および前記無機酸化物層内に化学的に吸収されて、励起電子を提供する染料層を含む第1の電極と、
前記第1の電極とは逆側に配置される第2の電極であって、前記第1の基板と前記第2の基板との間に配置され、それにより、電流を流せるようにする第2の電極と、
前記無機酸化物層上への前記無機酸化物層の界面接合を容易にするように構成された第1の界面接合層と、
前記第1の界面接合層上の逆電流を回避するように構成された第2の界面接合層と、
前記第1の界面接合層と前記第2の界面接合層との間に配置され、吸光を増大させる光散乱層と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に配置された固体電解質であって、エレクトロスピニング法により製造されたポリマーナノ繊維を含み、酸化還元反応により電子を前記染料層に提供する固定電解質と
を備える、色素増感太陽電池。 A first substrate and a second substrate arranged to face each other;
A first electrode disposed between the first substrate and the second substrate, which is chemically absorbed in the inorganic oxide layer and the inorganic oxide layer to provide excited electrons. A first electrode including a dye layer;
A second electrode disposed opposite to the first electrode, the second electrode disposed between the first substrate and the second substrate, thereby allowing a current to flow; Electrodes,
A first interface bonding layer configured to facilitate interfacial bonding of the inorganic oxide layer onto the inorganic oxide layer;
A second interface bonding layer configured to avoid reverse current on the first interface bonding layer;
A light scattering layer disposed between the first interface bonding layer and the second interface bonding layer to increase absorption;
A solid electrolyte disposed between the first electrode and the second electrode, comprising a polymer nanofiber manufactured by an electrospinning method, and providing electrons to the dye layer by a redox reaction A dye-sensitized solar cell comprising an electrolyte.
第1の基板を準備すること、
前記第1の基板の一表面に無機酸化物層を形成して、第1の電極を形成すること、
前記無機酸化物層上への前記無機酸化物層の界面接合を容易にする第1の界面接合層を形成すること、
前記第1の界面接合層上に、吸光を増大させる光散乱層を形成すること、
前記光散乱層上に、逆電流を回避する第2の界面接合層を形成すること、
前記第2の界面接合層上に染料層を吸収させること、
エレクトロスピニング装置を使用してポリマー溶液をエレクトロスピニングすることにより製造されたポリマーナノ繊維を、前記染料層を吸収した前記第2の界面接合層上に形成し、電解質溶液を前記ポリマーナノ繊維に塗布し、次に、前記塗布された溶液を蒸発させて固体電解質を形成すること、ならびに
前記固体電解質上に第2の電極および第2の基板を形成すること
を含む、方法。 A method for preparing a dye-sensitized solar cell, comprising:
Preparing a first substrate;
Forming an inorganic oxide layer on one surface of the first substrate to form a first electrode;
Forming a first interface bonding layer that facilitates interface bonding of the inorganic oxide layer onto the inorganic oxide layer;
Forming a light scattering layer on the first interface bonding layer to increase absorption;
Forming a second interface bonding layer on the light scattering layer to avoid reverse current;
Absorbing a dye layer on the second interfacial bonding layer;
Polymer nanofibers produced by electrospinning a polymer solution using an electrospinning apparatus are formed on the second interface bonding layer that has absorbed the dye layer, and an electrolyte solution is applied to the polymer nanofibers. And then evaporating the applied solution to form a solid electrolyte, and forming a second electrode and a second substrate on the solid electrolyte.
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